تخليق البوروفين بالموجات فوق الصوتية على نطاق صناعي
يمكن تخليق البوروفين، وهو مشتق من البورون ذو بنية نانوية ثنائية الأبعاد، بكفاءة من خلال تقشير سهل ومنخفض التكلفة بالموجات فوق الصوتية. ويمكن استخدام التقشير في الطور السائل بالموجات فوق الصوتية لإنتاج كميات كبيرة من صفائح البوروفين النانوية عالية الجودة. وتُستخدم تقنية التقشير بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع لإنتاج المواد النانوية ثنائية الأبعاد (2D) (مثل الغرافين)، وهي معروفة بمزاياها التي تشمل صفائح نانوية عالية الجودة، ومردودًا مرتفعًا، وتشغيلًا سريعًا وسهلًا، وكفاءة إجمالية.
طريقة التقشير بالموجات فوق الصوتية لتحضير البوروفين
يُستخدم التقشير في الطور السائل المدفوع بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع لتحضير صفائح نانوية ثنائية الأبعاد (2D) من مواد أولية كتلية متنوعة، بما فيها الغرافيت (الغرافين) والبورون (البوروفين) وغيرها. وبالمقارنة مع تقنية التقشير الكيميائي، يُعد التقشير في الطور السائل بمساعدة الموجات فوق الصوتية استراتيجية أكثر وعدًا لتحضير البنى النانوية صفرية الأبعاد (0D) وثنائية الأبعاد (2D)، مثل نقاط البورون الكمومية (BQDs) والبوروفين. (راجع Wang et al., 2021)
يوضح المخطط على اليسار عملية التقشير السائل بالموجات فوق الصوتية عند درجة حرارة منخفضة لصفائح البوروفين ثنائية الأبعاد (2D) قليلة الطبقات. (الدراسة والصورة: ©Lin et al., 2021.)
مفاعل كيميائي صوتي مجهز بـ معالج صناعي بالموجات فوق الصوتية UIP2000hdT بقدرة 2000 واط لتقشير البوروفين على نطاق واسع.
دراسات حالة عن تقشير البوروفين بالموجات فوق الصوتية
دُرست عمليات التقشير وفصل الطبقات باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة في الطور السائل على نطاق واسع، وطُبقت بنجاح على البوروفين ومشتقات البورون الأخرى، مثل نقاط البورون الكمومية أو نتريد البورون أو ثنائي بوريد المغنيسيوم.
البوروفين α
في الدراسة التي أجراها Göktuna وTaşaltın (2021)، حُضّر البوروفين α من خلال تقشير سهل ومنخفض التكلفة بالموجات فوق الصوتية. وتُظهر صفائح البوروفين النانوية المخلقة بالموجات فوق الصوتية بنية بلورية للبوروفين α.
البروتوكول: خضعت جسيمات البورون الميكرومترية بكمية 100 mg للمعالجة بالموجات فوق الصوتية في 100 ml من DMF بقدرة 200 W (مثلًا، باستخدام UP200St مع S26d14) لمدة 4h داخل حجرة ذات تدفق مضبوط للنيتروجين (N2) لمنع الأكسدة أثناء عملية التقشير في الطور السائل بالموجات فوق الصوتية. وخضع محلول جسيمات البورون المقشرة للطرد المركزي عند 5000 rpm و12,000 rpm لمدة 15 min لكل منهما على التوالي، ثم جُمع البوروفين بعناية وجُفف في بيئة مفرغة لمدة 4h عند 50ºC. (راجع Göktuna and Taşaltın, 2021)
رسم تخطيطي للبوروفين قليل الطبقات المقشر بعملية المعالجة الحرارية بالمذيب بمساعدة مسبار الموجات فوق الصوتية.
الدراسة والصورة: ©Zhang et al., 2020
البوروفين قليل الطبقات
يصف Zhang et al. (2020) تقنية للتقشير في الطور السائل بمعالجة حرارية في مذيب الأسيتون، تتيح إنتاج بوروفين عالي الجودة ذي أبعاد أفقية كبيرة. وبالاستفادة من تأثير الانتفاخ الناتج عن الأسيتون، بُللت المادة الأولية من مسحوق البورون أولًا بالأسيتون. ثم خضعت مادة البورون الأولية المبللة لمزيد من المعالجة الحرارية في مذيب الأسيتون عند 200ºC، تلتها المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار بقدرة 225 W لمدة 4h. وفي النهاية، تم الحصول على بوروفين يتكون من بضع طبقات من البورون وبُعد أفقي يصل إلى 5.05 mm. ويمكن استخدام تقنية التقشير في الطور السائل بمساعدة المعالجة الحرارية في مذيب الأسيتون لتحضير صفائح بورون نانوية ذات أبعاد أفقية كبيرة وجودة عالية. (راجع Zhang et al., 2020)
عند مقارنة نمط حيود الأشعة السينية (XRD) للبوروفين المقشر بالموجات فوق الصوتية بنمط المادة الأولية من البورون الكتلي، يمكن ملاحظة نمط XRD مشابه. ويمكن إسناد معظم قمم الحيود الرئيسية إلى البورون ذي البنية البلورية المعينية ثلاثية المحاور b، مما يشير إلى أن البنية البلورية تبقى محفوظة تقريبًا قبل المعالجة بالتقشير وبعدها.
صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) بدقة منخفضة (a) ودقة عالية (b) للبوروفين قليل الطبقات الناتج عن التقشير الحراري في مذيب الأسيتون بمساعدة الموجات فوق الصوتية
الدراسة والصورة: ©Zhang et al., 2020
أنماط حيود الأشعة السينية (XRD) (a) وأطياف رامان (b) للبورون الكتلي غير المعالج وللبوروفين قليل الطبقات الناتج عن التقشير الحراري بالمذيب بمساعدة مسبار الموجات فوق الصوتية.
الدراسة والصورة: ©Zhang et al., 2020
التخليق الكيميائي الصوتي لنقاط البورون الكمومية
نجح Hao et al. (2020) في تحضير نقاط بورون كمومية (BQDs) بلورية شبه موصلة ومتجانسة على نطاق واسع من مسحوق البورون الممدد في الأسيتونتريل، وهو مذيب عضوي شديد القطبية، باستخدام جهاز قوي للمعالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار (مثل UP400St, UIP500hdT أو UIP1000hdT). وكانت نقاط البورون الكمومية المخلقة ذات بُعد جانبي قدره 2.46 ±0.4 nm وسماكة قدرها 2.81 ±0.5 nm.
البروتوكول: في تحضير نموذجي لنقاط البورون الكمومية، أُضيف أولًا 30 mg من مسحوق البورون إلى دورق ذي ثلاثة أعناق، ثم أُضيف 15 mL من الأسيتونتريل إلى الوعاء قبل عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية. وأُجري التقشير بقدرة خرج تبلغ 400 W (مثلًا، باستخدام UIP500hdT)، وتردد 20kHz، وزمن معالجة بالموجات فوق الصوتية قدره 60 min. ولتجنب فرط تسخين المحلول أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية، استُخدم التبريد بحمام ثلجي أو مبرد مختبري للحفاظ على درجة حرارة ثابتة. وخضع المحلول الناتج للطرد المركزي عند 1500 rpm لمدة 60 min. واستُخلص السائل الطافي المحتوي على نقاط البورون الكمومية برفق. وأُجريت جميع التجارب عند درجة حرارة الغرفة. (راجع Hao et al., 2020)
وفي دراسة Wang et al. (2021)، حضّر الباحثون أيضًا نقاط البورون الكمومية باستخدام تقنية التقشير في الطور السائل بالموجات فوق الصوتية. وحصلوا على نقاط بورون كمومية أحادية التشتت ذات توزيع ضيق للحجم، وقابلية ممتازة للتشتت، وثبات عالٍ في محلول IPA، وفلورة موصوفة بعبارة «two-photo».
صور بالمجهر الإلكتروني النافذ (TEM) وتوزيع الأقطار المقابل لنقاط البورون الكمومية (BQDs) المحضرة تحت ظروف مختلفة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية. (a) صورة TEM لنقاط BQDs-2 المخلقة عند 400 W لمدة 2 h. (b) صورة TEM لنقاط BQDs-3 المخلقة عند 550 W لمدة 1 h. (c) صورة TEM لنقاط BQDs-3 المخلقة عند 400 W لمدة 4 h. (d) توزيع أقطار النقاط الكمومية المستخلص من (a). (e) توزيع أقطار النقاط الكمومية المستخلص من (b). (f) توزيع أقطار النقاط الكمومية المستخلص من (c).
الدراسة والصورة: ©Hao et al., 2020
تقشير صفائح ثنائي بوريد المغنيسيوم النانوية بالموجات فوق الصوتية
أُجريت عملية التقشير بتعليق 450mg من مسحوق ثنائي بوريد المغنيسيوم
(MgB2) (بحجم يقارب 100 mesh / 149 ميكرون) في 150 ml من الماء وتعريضه للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 30 دقيقة. ويمكن إجراء التقشير بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية من نوع المسبار، مثل UP200Ht أو UP400St بسعة اهتزاز تبلغ 30% ووضع دوري من نبضات التشغيل والإيقاف مدتها 10sec. وينتج عن التقشير بالموجات فوق الصوتية معلق أسود داكن. ويمكن أن يُعزى اللون الأسود إلى لون مسحوق MgB2 الأصلي.
تتابع عالي السرعة من اللقطات (من a إلى f) يوضح التقشير الصوتي الميكانيكي لرقاقة غرافيت في الماء باستخدام UP200S، وهو جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية بقدرة 200W مع سونوترود بقياس 3mm. وتُظهر الأسهم موضع الانفصال (التقشير) مع فقاعات التجويف التي تخترق الشق.
© Tyurnina et al. 2020
أجهزة قوية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية لتقشير البوروفين على أي نطاق
تصمم Hielscher Ultrasonics أجهزة متينة وموثوقة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية بمختلف الأحجام، وتصنعها وتوزعها. ومن أجهزة الموجات فوق الصوتية المختبرية المدمجة إلى المسابير والمفاعلات الصناعية بالموجات فوق الصوتية، توفر Hielscher النظام المثالي بالموجات فوق الصوتية لعمليتك. وبفضل خبرتنا الطويلة في تطبيقات مثل تخليق المواد النانوية وتشتيتها، سيوصي فريقنا المدرب جيدًا بالتجهيز الأنسب لمتطلباتك. وتُعرف معالجات Hielscher الصناعية بالموجات فوق الصوتية بأنها أجهزة موثوقة تتحمل العمل الشاق في المنشآت الصناعية. وبفضل قدرتها على توفير سعات اهتزاز عالية جدًا، تُعد أجهزة Hielscher للمعالجة بالموجات فوق الصوتية مثالية للتطبيقات عالية الأداء، مثل تقشير البوروفين أو الغرافين، وكذلك تشتيت المواد النانوية. ويمكن تشغيلها بسهولة وباستمرار بسعات اهتزاز تصل إلى 200µm على مدار 24/7. وتتوفر سونوترودات مخصصة بالموجات فوق الصوتية لسعات اهتزاز أعلى.
تُصمم جميع المعدات وتُصنع في مقرنا الرئيسي في ألمانيا. وقبل التسليم إلى العميل، يُختبر كل جهاز بالموجات فوق الصوتية بعناية تحت الحمل الكامل. ونسعى إلى إرضاء العملاء، وقد نُظم إنتاجنا لتلبية أعلى متطلبات ضمان الجودة (مثل الحصول على شهادة ISO).
- كفاءة عالية
- أحدث التقنيات
- الموثوقية والمتانة
- المعالجة بالدُفعات وفي خط التدفق
- لأي حجم
- برمجيات ذكية
- ميزات ذكية (مثل تسجيل البيانات)
- CIP (التنظيف في المكان)
يوفر الجدول أدناه مؤشرًا على سعة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:
| حجم الدُفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أكبر | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
اتصلوا بنا! / اسألونا!
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المختبري والتجريبي والصناعي.
المؤلفات / المراجع
- Feng Zhang, Liaona She, Congying Jia, Xuexia He, Qi Li, Jie Sun, Zhibin Lei, Zong-Huai Liu (2020): Few-layer and large flake size borophene: preparation with solvothermal-assisted liquid phase exfoliation. RSC Advances 46, 2020.
- Simru Göktuna, Nevin Taşaltın (2021): Preparation and characterization of PANI: α borophene electrode for supercapacitors. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures,
Volume 134, 2021. - Chen, C., Lv, H., Zhang, P. et al. (2021): Synthesis of bilayer borophene. Nature Chemistry 2021.
- Haojian, Lin; Shi, Haodong;Wang, Zhen; Mu, Yuewen ; Li, Si-Dian; Zhao, Jijun; Guo, Jingwei ; Yang, Bing; Wu, Zhong-Shuai; Liu, Fei. (2021): Low-temperature Liquid Exfoliation of Milligram-scale Single Crystalline Few-layer β12-Borophene Sheets as Efficient Electrocatalysts for Lithium–Sulfur Batteries. 2021.
- Jinqian Hao; Guoan Tai; Jianxin Zhou; Rui Wang; Chuang Hou; Wanlin Guo (2020): Crystalline Semiconductor Boron Quantum Dots. ACS Applied Material Interfaces 12 (15), 2020. 17669–17675.
حقائق جديرة بالمعرفة
البوروفين
البوروفين طبقة ذرية أحادية بلورية من البورون، أي إنه شكل تآصلي ثنائي الأبعاد للبورون (يُسمى أيضًا صفيحة بورون نانوية). وتجعل خصائصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة منه مادة قيّمة للعديد من التطبيقات الصناعية.
وتشمل الخصائص الفيزيائية والكيميائية الاستثنائية للبوروفين جوانب ميكانيكية وحرارية وإلكترونية وبصرية وجوانب تتعلق بالموصلية الفائقة، وكلها فريدة.
ويتيح ذلك إمكانات لاستخدام البوروفين في تطبيقات بطاريات أيونات الفلزات القلوية، وبطاريات Li-S، وتخزين الهيدروجين، والمكثفات الفائقة، واختزال الأكسجين وتوليده، وكذلك تفاعل الاختزال الكهروكيميائي لـ CO2. وينصب اهتمام كبير بصورة خاصة على البوروفين بوصفه مادة للأنود في البطاريات ومادة لتخزين الهيدروجين. وبفضل سعاته النوعية النظرية العالية، وموصليته الإلكترونية، وخصائص نقل الأيونات، يُعد البوروفين مادة ممتازة للأنود في البطاريات. وبفضل قدرة البوروفين العالية على امتزاز الهيدروجين، فإنه يوفر إمكانات كبيرة لتخزين الهيدروجين – بسعة تخزين تتجاوز 15% من وزنه.
البوروفين لتخزين الهيدروجين
تحظى المواد ثنائية الأبعاد (2D) القائمة على البورون باهتمام كبير بوصفها أوساطًا لتخزين H2، نظرًا إلى الكتلة الذرية المنخفضة للبورون وثبات الفلزات القلوية المثبتة على السطح، مما يعزز التفاعلات مع H2. وقد أظهرت صفائح البوروفين النانوية ثنائية الأبعاد، التي يمكن تخليقها بسهولة باستخدام التقشير في الطور السائل بالموجات فوق الصوتية كما وُصف أعلاه، ألفة جيدة لذرات فلزية مختلفة تُثبت على السطح، ويمكن أن يحدث فيها تجمع للذرات الفلزية. وباستخدام مجموعة متنوعة من الفلزات المثبتة على السطح، مثل Li وNa وCa وTi على أشكال بلورية متعددة مختلفة من البوروفين، تم الحصول على كثافات وزنية مميزة لـ H2 تتراوح من 6 إلى 15 wt %، وتتجاوز متطلب وزارة الطاقة الأمريكية (DOE) لتخزين H2 على متن المركبات والبالغ 6.5wt%. (راجع Habibi et al., 2021)
تصنع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء بأحجام تتراوح من الحجم المختبري إلى الحجم الصناعي.