تقشير بالموجات فوق الصوتية من Xenes
Xenes هي مواد نانوية أحادية العنصر 2D ذات خصائص غير عادية مثل مساحة السطح العالية جدا ، والخصائص الفيزيائية / الكيميائية متباينة الخواص بما في ذلك الموصلية الكهربائية الفائقة أو قوة الشد. التقشير بالموجات فوق الصوتية أو التفريغ هو تقنية فعالة وموثوقة لإنتاج صفائح نانوية 2D أحادية الطبقة من مواد السلائف ذات الطبقات. تم بالفعل إنشاء تقشير بالموجات فوق الصوتية لإنتاج صفائح نانوية عالية الجودة من xenes على نطاق صناعي.
زينيس – الهياكل النانوية أحادية الطبقة
Xenes هي أحادية الطبقة (2D) ، مواد نانوية أحادية العنصر ، والتي تتميز بهيكل يشبه الجرافين ، ورابطة تساهمية داخل الطبقة ، وقوى فان دير فال الضعيفة بين الطبقات. أمثلة على المواد ، والتي هي جزء من فئة xenes هي البوروفين ، السيليسين ، الجرمانين ، الستانين ، الفوسفورين (الفوسفور الأسود) ، الزرنيخين ، البزموثين ، والتيلورين والأنتيمونين. نظرا لهيكلها أحادي الطبقة 2D ، يتم تفحم المواد النانوية xenes بواسطة سطح كبير جدا بالإضافة إلى تحسين التفاعلات الكيميائية والفيزيائية. هذه الخصائص الهيكلية تعطي المواد النانوية xenes خصائص فوتونية وحفازة ومغناطيسية وإلكترونية رائعة وتجعل هذه الهياكل النانوية مثيرة للاهتمام للغاية للعديد من التطبيقات الصناعية. تظهر الصورة اليسرى صور SEM للبوروفين المقشر بالموجات فوق الصوتية.
مفاعل مع 2000 واط الموجات فوق الصوتية UIP2000hdT لتقشير على نطاق واسع من صفائح Xenes النانوية.
إنتاج المواد النانوية Xenes باستخدام التفريغ بالموجات فوق الصوتية
التقشير السائل للمواد النانوية ذات الطبقات: يتم إنتاج صفائح نانوية 2D أحادية الطبقة من مواد غير عضوية ذات هياكل ذات طبقات (مثل الجرافيت) تتكون من طبقات مضيفة مكدسة بشكل فضفاض تعرض توسعا أو تورما من طبقة إلى طبقة عند إقحام أيونات و / أو مذيبات معينة. التقشير ، الذي يتم فيه شق المرحلة الطبقية إلى صفائح نانوية ، عادة ما يصاحب التورم بسبب عوامل الجذب الكهروستاتيكية الضعيفة بسرعة بين الطبقات التي تنتج التشتت الغروي لطبقات أو صفائح 2D الفردية. (راجع Geng et al ، 2013) بشكل عام ، من المعروف أن التورم يسهل التقشير من خلال الموجات فوق الصوتية وينتج عنه صفائح نانوية سالبة الشحنة. تسهل المعالجة الكيميائية أيضا التقشير عن طريق صوتنة في المذيبات. على سبيل المثال ، يسمح التشغيل الوظيفي بتقشير هيدروكسيدات مزدوجة الطبقات (LDHs) في الكحول. (راجع نيكولوسي وآخرون ، 2013)
للتقشير بالموجات فوق الصوتية / التفريغ تتعرض المواد ذات الطبقات لموجات فوق صوتية قوية في مذيب. عندما تقترن الموجات فوق الصوتية كثيفة الطاقة بسائل أو ملاط ، يحدث التجويف الصوتي المعروف أيضا باسم الموجات فوق الصوتية. يتميز التجويف بالموجات فوق الصوتية بانهيار فقاعات الفراغ. تنتقل الموجات فوق الصوتية عبر السائل وتولد دورات ضغط منخفض / ضغط مرتفع بالتناوب. تنشأ فقاعات الفراغ الدقيقة خلال دورة الضغط المنخفض (التخلخل) وتنمو على مدار دورات الضغط المنخفض / الضغط العالي المختلفة. عندما تصل فقاعة التجويف إلى النقطة التي لا يمكنها فيها امتصاص أي طاقة إضافية ، تنفجر الفقاعة بعنف وتخلق ظروفا كثيفة الطاقة محليا. يتم تحديد البقعة الساخنة التجويفية من خلال الضغوط ودرجة الحرارة العالية جدا ، والضغوط ذات الصلة وفروق درجات الحرارة ، والنفاثات السائلة عالية السرعة ، وقوى القص. تدفع هذه القوى الميكانيكية. تدفع هذه القوى الميكانيكية. تدفع هذه المذيب بين الطبقات المكدسة وتفكك الهياكل الجسيمية والبلورية وبالتالي إنتاج صفائح نانوية مقشرة. يوضح تسلسل الصورة أدناه عملية التقشير بواسطة التجويف بالموجات فوق الصوتية.
تسلسل عالي السرعة (من a إلى f) من الإطارات يوضح التقشير الميكانيكي للسونو لرقائق الجرافيت في الماء باستخدام UP200S ، الموجات فوق الصوتية 200W مع سونوترودي 3 ملم. تظهر الأسهم مكان الانقسام (التقشير) مع فقاعات التجويف التي تخترق الانقسام.
© تيورنينا وآخرون 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
أظهرت النمذجة أنه إذا كانت الطاقة السطحية للمذيب مماثلة لتلك الموجودة في المواد ذات الطبقات ، فإن فرق الطاقة بين الحالات المقشرة والمعاد تجميعها سيكون صغيرا جدا ، مما يزيل القوة الدافعة لإعادة التجميع. عند مقارنتها بطرق التحريك والقص البديلة ، وفرت المحرضات بالموجات فوق الصوتية مصدر طاقة أكثر فعالية للتقشير ، مما أدى إلى إظهار التقشير بمساعدة الإقحام الأيوني ل TaS2المكتب2، ومذكرة التفاهم2، وكذلك أكاسيد الطبقات. (راجع نيكولوسي وآخرون ، 2013)
صور TEM للصفائح النانوية المقشرة السائلة بالموجات فوق الصوتية: (A) ورقة نانوية من الجرافين مقشرة عن طريق الصوتنة في المذيب N-methyl-pyrrolidone. (ب) ورقة نانوية h-BN مقشرة عن طريق الصوتنة في مذيب الأيزوبروبانول. (ج) ورقة نانوية MoS2 مقشرة عن طريق الصوتنة في محلول مائي خافض للتوتر السطحي.
(دراسة وصور: ©نيكولوسي وآخرون ، 2013)
بروتوكولات تقشير السائل بالموجات فوق الصوتية
تمت دراسة التقشير بالموجات فوق الصوتية وتفريغ الزينات والمواد النانوية أحادية الطبقة الأخرى على نطاق واسع في البحث وتم نقلها بنجاح إلى مرحلة الإنتاج الصناعي. أدناه نقدم لك بروتوكولات التقشير المحددة باستخدام صوتنة.
تقشير بالموجات فوق الصوتية من الفوسفورين نانوفليكس
الفوسفورين (المعروف أيضا باسم الفوسفور الأسود ، BP) هو مادة أحادية الطبقة 2D تتكون من ذرات الفوسفور.
في بحث Passaglia et al. (2018) ، تم إثبات تحضير معلقات مستقرة للفوسفورين - ميثيل ميثاكريلات عن طريق تقشير الطور السائل بمساعدة الصوتنة (LPE) ل bP في وجود MMA متبوعا ببلمرة جذرية. ميثيل ميثاكريلات (MMA) هو مونومر سائل.
بروتوكول التقشير السائل بالموجات فوق الصوتية للفوسفورين
تم الحصول على MMA_bPn و NVP_bPn و Sty_bPn معلقات بواسطة LPE في وجود المونومر الوحيد. في إجراء نموذجي ، تم وضع ∼5 ملغ من bP ، تم سحقها بعناية في هاون ، في أنبوب اختبار ثم تمت إضافة كمية مرجحة من MMA أو Sty أو NVP. تم صوتنة تعليق المونومر bP لمدة 90 دقيقة باستخدام الخالط Hielscher Ultrasonics UP200St (200W ، 26kHz) ، ومجهزة سونوترودي S26d2 (قطر طرف: 2 مم). تم الحفاظ على سعة الموجات فوق الصوتية ثابتة عند 50٪ مع P = 7 W. في جميع الحالات ، تم استخدام حمام جليدي لتحسين تبديد الحرارة. ثم تم تعليق MMA_bPn و NVP_bPn و Sty_bPn النهائي مع N2 لمدة 15 دقيقة. تم تحليل جميع عمليات التعليق بواسطة DLS ، مما يدل على أن قيم rH قريبة جدا من قيم DMSO_bPn. على سبيل المثال ، تميز تعليق MMA_bPn (الذي يحتوي على حوالي 1٪ من محتوى bP) ب rH = 512 ± 58 نانومتر.
في حين أن الدراسات العلمية الأخرى على تقرير الفوسفورين وقت صوتنة لعدة ساعات باستخدام منظف بالموجات فوق الصوتية ، ومذيبات نقطة الغليان العالية ، وكفاءة منخفضة ، فإن فريق البحث في Passaglia يظهر بروتوكول تقشير بالموجات فوق الصوتية عالي الكفاءة باستخدام الموجات فوق الصوتية من نوع المسبار (وهي Hielscher بالموجات فوق الصوتية نموذج UP200St).
تقشير بالموجات فوق الصوتية للصفائح النانوية أحادية الطبقة
لقراءة المزيد من التفاصيل المحددة وبروتوكولات التقشير للصفائح النانوية لأكسيد البوروفين والروثينيوم ، يرجى اتباع الروابط أدناه:
بوروفين: لبروتوكولات صوتنة ونتائج تقشير البوروفين بالموجات فوق الصوتية ، يرجى النقر هنا!
RuO2: لبروتوكولات صوتنة ونتائج تقشير نانو أكسيد الروثينيوم بالموجات فوق الصوتية ، يرجى النقر هنا!
تقشير بالموجات فوق الصوتية لصفائح السيليكا النانوية قليلة الطبقات
تم تحضير صفائح نانوية من السيليكا المقشرة قليلة الطبقات من الفيرميكوليت الطبيعي (Verm) عن طريق التقشير بالموجات فوق الصوتية. لتخليق صفائح السيليكا النانوية المقشرة ، تم تطبيق طريقة تقشير الطور السائل التالية: تم تشتيت 40 مجم من صفائح السيليكا النانوية في 40 مل من الإيثانول المطلق. في وقت لاحق ، تم الموجات فوق الصوتية الخليط لمدة 2 ساعة باستخدام معالج الموجات فوق الصوتية Hielscher UP200St ، ومجهزة سونوترودي 7 ملم. تم الحفاظ على سعة الموجات فوق الصوتية ثابتة عند 70٪. تم تطبيق حمام جليدي لتجنب ارتفاع درجة الحرارة. تمت إزالة SN غير المقشر عن طريق الطرد المركزي عند 1000 دورة في الدقيقة لمدة 10 دقائق. أخيرا ، تم صب المنتج وتجفيفه في درجة حرارة الغرفة تحت فراغ طوال الليل. (راجع Guo et al. ، 2022)
تقشير بالموجات فوق الصوتية للصفائح النانوية أحادية الطبقة باستخدام الموجات فوق الصوتية UP400St.
التقشير السائل بالموجات فوق الصوتية فعال للغاية لإنتاج صفائح زينيس النانوية. تظهر الصورة قوة 1000 واط UIP1000hdT.
مجسات ومفاعلات الموجات فوق الصوتية عالية الطاقة لتقشير صفائح Xenes النانوية
Hielscher الموجات فوق الصوتية تصميمات، وتصنيع، وتوزع الموجات فوق الصوتية قوية وموثوق بها في أي حجم. من أجهزة الموجات فوق الصوتية مختبر المدمجة إلى تحقيقات الموجات فوق الصوتية الصناعية والمفاعلات، Hielscher لديه نظام الموجات فوق الصوتية المثالي لعملية الخاص بك. مع خبرة طويلة في تطبيقات مثل توليف المواد النانوية وتشتتها ، سيوصيك موظفونا المدربون جيدا بالإعداد الأنسب لمتطلباتك. ومن المعروف Hielscher المعالجات بالموجات فوق الصوتية الصناعية كخيول عمل موثوقة في المنشآت الصناعية. قادرة على تقديم سعات عالية جدا، Hielscher الموجات فوق الصوتية مثالية للتطبيقات عالية الأداء مثل توليف xenes وغيرها من المواد النانوية أحادية الطبقة 2D مثل البوروفين، الفوسفورين أو الجرافين، فضلا عن تشتت موثوق بها من هذه الهياكل النانوية.
الموجات فوق الصوتية قوية بشكل غير عادي: Hielscher Ultrasonics’ يمكن للمعالجات بالموجات فوق الصوتية الصناعية تقديم سعات عالية جدا. يمكن تشغيل السعات التي تصل إلى 200 ميكرومتر بسهولة بشكل مستمر في عملية 24/7. للحصول على سعات أعلى ، تتوفر سونوتروديس بالموجات فوق الصوتية المخصصة.
أعلى جودة – صمم وصنع في ألمانيا: تم تصميم جميع المعدات وتصنيعها في مقرنا الرئيسي في ألمانيا. قبل التسليم إلى العميل ، يتم اختبار كل جهاز بالموجات فوق الصوتية بعناية تحت الحمل الكامل. نحن نسعى جاهدين لتحقيق رضا العملاء ويتم تنظيم إنتاجنا لتحقيق أعلى معايير ضمان الجودة (على سبيل المثال ، شهادة ISO).
يمنحك الجدول أدناه مؤشرا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة الموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500 مل | 10 إلى 200 مل / دقيقة | UP100H |
| 10 إلى 2000 مل | 20 إلى 400 مل / دقيقة | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20 لتر | 0.2 إلى 4 لتر / دقيقة | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100 لتر | 2 إلى 10 لتر / دقيقة | UIP4000hdT |
| ن.أ. | 10 إلى 100 لتر / دقيقة | UIP16000 |
| ن.أ. | أكبر | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
Hielscher Ultrasonics بتصنيع المجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لخلط التطبيقات، والتشتت، والاستحلاب والاستخراج على المختبر، التجريبية والصناعية النطاق.
الأدب / المراجع
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Passaglia, Elisa; Cicogna, Francesca; Costantino, Federica; Coiai, Serena; Legnaioli, Stefano; Lorenzetti, G.; Borsacchi, Silvia; Geppi, Marco; Telesio, Francesca; Heun, Stefan; Ienco, Andrea; Serrano-Ruiz, Manuel; Peruzzini, Maurizio (2018): Polymer-Based Black Phosphorus (bP) Hybrid Materials by in Situ Radical Polymerization: An Effective Tool To Exfoliate bP and Stabilize bP Nanoflakes. Chemistry of Materials 2018.
- Zunmin Guo, Jianuo Chen, Jae Jong Byun, Rongsheng Cai, Maria Perez-Page, Madhumita Sahoo, Zhaoqi Ji, Sarah J. Haigh, Stuart M. Holmes (2022): High-performance polymer electrolyte membranes incorporated with 2D silica nanosheets in high-temperature proton exchange membrane fuel cells. Journal of Energy Chemistry, Volume 64, 2022. 323-334.
- Sukpirom, Nipaka; Lerner, Michael (2002): Rapid exfoliation of a layered titanate by ultrasonic processing. Materials Science and Engineering A-structural Materials Properties Microstructure and Processing 333, 2002. 218-222.
- Nicolosi, Valeria; Chhowalla, Manish; Kanatzidis, Mercouri; Strano, Michael; Coleman, Jonathan (2013): Liquid Exfoliation of Layered Materials. Science 340, 2013.
حقائق تستحق المعرفة
الفوسفورين
يظهر الفوسفورين (أيضا صفائح الفوسفور الأسود النانوية / الرقائق النانوية) حركة عالية تبلغ 1000 سم 2 V-1 s-1 لعينة بسمك 5 نانومتر مع نسبة تشغيل / إيقاف تيار عالية تبلغ 105. كأشباه موصلات من النوع p ، يمتلك الفوسفورين فجوة نطاق مباشرة تبلغ 0.3 فولت. علاوة على ذلك ، يحتوي الفوسفورين على فجوة نطاق مباشرة تزيد حتى حوالي 2 فولت للطبقة الأحادية. هذه الخصائص المادية تجعل صفائح الفوسفور الأسود النانوية مادة واعدة للتطبيقات الصناعية في الأجهزة الإلكترونية النانوية والنانوفوتونية ، والتي تغطي النطاق الكامل للطيف المرئي. (راجع باساجليا وآخرون ، 2018) ويكمن تطبيق محتمل آخر في تطبيقات الطب الحيوي، لأن السمية المنخفضة نسبيا تجعل استخدام الفسفور الأسود جذابا للغاية.
في فئة المواد ثنائية الأبعاد ، غالبا ما يتم وضع الفوسفورين بجوار الجرافين لأنه ، على عكس الجرافين ، يحتوي الفوسفورين على فجوة نطاق أساسية غير صفرية يمكن تعديلها علاوة على ذلك عن طريق الإجهاد وعدد الطبقات في المكدس.
بوروفين
البوروفين هو طبقة أحادية الذرة بلورية من البورون ، أي أنه متآصل ثنائي الأبعاد من البورون (وتسمى أيضا ورقة البورون النانوية). خصائصه الفيزيائية والكيميائية الفريدة تحول البوروفين إلى مادة قيمة للعديد من التطبيقات الصناعية.
تشمل الخصائص الفيزيائية والكيميائية الاستثنائية للبوروفين جوانب ميكانيكية وحرارية وإلكترونية وبصرية وفائقة التوصيل فريدة من نوعها.
هذا يفتح إمكانيات لاستخدام البوروفين للتطبيقات في بطاريات أيون المعادن القلوية ، وبطاريات Li-S ، وتخزين الهيدروجين ، والمكثف الفائق ، وتقليل الأكسجين وتطوره ، بالإضافة إلى تفاعل الاختزال الكهربائي CO2. يذهب اهتمام كبير بشكل خاص إلى البوروفين كمادة أنود للبطاريات وكمواد تخزين الهيدروجين. نظرا للقدرات النظرية العالية المحددة والتوصيل الإلكتروني وخصائص النقل الأيوني ، فإن البوروفين مؤهل كمادة أنود رائعة للبطاريات. نظرا لقدرة الامتصاص العالية للهيدروجين إلى البوروفين ، فإنه يوفر إمكانات كبيرة لتخزين الهيدروجين - بسعة تزيد عن 15٪ من وزنه.
قراءة المزيد عن التوليف بالموجات فوق الصوتية وتشتت البوروفين!
Hielscher الفوق صوتيات بتصنيع الخالط بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء من المختبر ل الحجم الصناعي.