Ултразвуков синтез на борофен в промишлен мащаб

Борофенът, двуизмерно наноструктурирано производно на бора, може ефективно да се синтезира чрез лесно и евтино ултразвуково ексфолиране. Ултразвуковото ексфолиране в течна фаза може да се използва за производство на големи количества висококачествени борофенови нанолистове. Техниката на ултразвуково ексфолиране се използва широко за производство на 2D наноматериали (напр. графен) и е добре известна със своите предимства на висококачествени нанолистове, високи добиви, бърза и лесна работа, както и цялостна ефективност.

Метод на ултразвуково ексфолиране за приготвяне на борофен

Ултразвуковото ексфолиране в течна фаза се използва широко за приготвяне на 2D нанолистове от различни насипни прекурсори, включително графит (графен), бор (борофен) и др. В сравнение с техниката на химическо ексфолиране, ултразвуковото ексфолиране в течна фаза се счита за по-обещаваща стратегия за приготвяне на 0D и 2D наноструктури като борни квантови точки (BQD) и борофен. (срв. Wang et al., 2021)
Схемата вляво показва ултразвуковия нискотемпературен процес на ексфолиране на течности на 2D многослойни борофенови листове. (Проучване и снимка: ©Lin et al., 2021.)

Казуси от ултразвуковото ексфолиране на борофен

Ексфолирането и разслояването с помощта на мощен ултразвук в течен фазов процес е широко проучено и успешно приложено към борофен и други производни на бора като борни квантови точки, борен нитрид или магнезиев диборид.

α-Борофен

В проучването, извършено от Göktuna и Taşaltın (2021), α борофен е приготвен чрез лесно и евтино ултразвуково ексфолиране. Ултразвуково синтезираните борофенови нанолистове показват α борофенова кристална структура.
Протокол: 100 mg борни микрочастици са ултразвук в 100 ml DMF при 200 W (напр. с помощта на UP200St със S26d14) в продължение на 4 часа в азот (N₂) кабина с контролиран поток, за да се предотврати окисляването по време на ултразвуковия процес на ексфолиране в течна фаза. Разтворът от ексфолирани борни частици се центрофугира съответно с 5000 об / мин и 12 000 об/мин за 15 минути, след което борофенът внимателно се събира и се суши във вакуумна среда в продължение на 4 часа при 50ºC. (срв.

Схематична илюстрация на борофен с няколко слоя, ексфолирани от ултразвуковия процес на солвотермална обработка на сондата.
Проучване и картина: ©Zhang et al., 2020 г.

Многослоен борофен

Zhang et al. (2020) съобщават за техника за ексфолиране на ацетон солвотермална течна фаза, която позволява производството на висококачествен борофен с голям хоризонтален размер. Използвайки ефекта на подуване на ацетона, прекурсорът на бор на прах първо се навлажнява с ацетон. След това навлажненият прекурсор на бор е допълнително обработен с ацетон при 200ºC, последван от ултразвук със сондов тип сондатор при 225 W за 4 часа. Най-накрая беше получен борофен с няколко слоя бор и хоризонтален размер до 5,05 мм. Техниката за ексфолиране с течна фаза с помощта на ацетон солвотермал може да се използва за приготвяне на борни нанолистове с големи хоризонтални размери и с високо качество. (срв. Zhang et al., 2020)
Когато XRD моделът на ултразвуково ексфолирания борофен се сравни с насипния прекурсор на бор, може да се наблюдава подобен XRD модел. Повечето от основните дифракционни пикове могат да бъдат индексирани към b-ромбоедричния бор, което предполага, че кристалната структура е почти запазена преди и след ексфолиационната обработка.

SEM изображения с ниска разделителна способност (a) и висока разделителна способност (b) на борофен с няколко слоя, получени чрез ултразвуково асистирана солвотермична ексфолиация в ацетон
Проучване и картина: ©Zhang et al., 2020 г.

XRD модели (а) и Раманови спектри (б) на необработен насипен бор и борофен с няколко слоя, получени чрез ултразвуково асистирано солвотермично ексфолиране.
Проучване и картина: ©Zhang et al., 2020 г.

Сонохимичен синтез на борни квантови точки

Hao et al. (2020) успешно подготвиха широкомащабни и еднородни кристални полупроводникови борни квантови точки (BQD) от експандиран борен прах в ацетонитрил, силно полярен органичен разтворител, използвайки мощен ултразвуков звук тип сонда (напр. UP400St, UIP500hdT или UIP1000hdT). Синтезирани борни квантови точки със страничен размер 2,46 ±0,4 nm и дебелина 2,81 ±0,5 nm.
Протокол: При типичен препарат от борни квантови точки, 30 mg от бор на прах първо се добавят в колба с три гърла и след това 15 ml ацетонитрил се добавят в бутилката преди процеса на ултразвукова диагностика. Ексфолирането е извършено при изходна мощност от 400 W (напр. с помощта на UIP500hdT), 20kHz честота и ултразвуково време от 60 мин. За да се избегне прегряване на разтвора по време на ултразвук, се прилага охлаждане с помощта на ледена баня или лабораторен охладител за постоянна температура. Полученият разтвор се центрофугира при 1500 об / мин за 60 минути. Супернатантът, съдържащ борни квантови точки, беше извлечен внимателно. Всички експерименти са проведени при стайна температура. (срв. Hao et al., 2020)
В проучването на Wang et al. (2021) изследователят подготвя борни квантови точки, използвайки и техниката за ексфолиране на ултразвукова течна фаза. Те получават монодисперсна борна квантова точка с тясно разпределение по размерите, отлична диспергируемост, висока стабилност в IPA разтвор и двуфотофотофлуоресценция.

TEM изображения и съответното разпределение на диаметъра на BQD, получени при различни ултразвукови условия. а) TEM изображение на BQD-2, синтезирано при 400 W в продължение на 2 часа. б) TEM изображение на BQD-3, синтезирано при 550 W за 1 час. в) TEM изображение на BQD-3, синтезирано при 400 W за 4 часа. г) Разпределение на диаметъра на квантовите точки, получено от буква а). д) Разпределение на диаметъра на квантовите точки, получени от буква б). е) Разпределение на диаметъра на квантовите точки, получени от буква в).
Проучване и картина: ©Hao et al., 2020 г.

Ултразвуково ексфолиране на нанолистове с магнезиев диборид

Процесът на ексфолиране се извършва чрез суспендиране на 450 mg магнезиев диборид
(MgB₂) прах (приблизително 100 размер на меша / 149 микрона) в 150 ml вода и го излага на ултразвук за 30 минути. Ултразвуковото ексфолиране може да се извърши с ултразвуков ултразвук тип сонда, като UP200Ht или UP400St с амплитуда 30% и режим на цикъл от 10 секунди импулси за включване/изключване. Ултразвуковото ексфолиране води до тъмно черна суспензия. Черният цвят може да се дължи на цвета на девствения прах MgB2.

Високоскоростна последователност (от a до f) кадри, илюстриращи сономеханично ексфолиране на графитна люспа във вода с помощта на UP200S, 200W ултразвуков уред с 3 мм сонотрод. Стрелките показват мястото на разцепване (ексфолиране) с кавитационни мехурчета, проникващи в разцепването.
© Tyurnina et al. 2020

Мощни ултразвукови апарати за ексфолиация на бороген във всякакъв мащаб

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява здрави и надеждни ултразвукови апарати от всякакъв размер. От компактни лабораторни ултразвукови устройства до индустриални ултразвукови сонди и реактори, Hielscher разполага с идеалната ултразвукова система за вашия процес. С дългогодишен опит в приложения като синтез и дисперсия на наноматериали, нашият добре обучен персонал ще ви препоръча най-подходящата настройка за нуждите на наноматериалите. Индустриалните ултразвукови процесори на Hielscher са известни като надеждни работни коне в промишлени съоръжения. Способни да доставят много високи амплитуди, ултразвуковите апарати Hielscher са идеални за високоефективни приложения като ексфолиране на борофен или графен, както и дисперсии на наноматериали. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди.
Цялото оборудване е проектирано и произведено в централата ни в Германия. Преди доставката на клиента всяко ултразвуково устройство се тества внимателно при пълно натоварване. Ние се стремим към удовлетвореност на клиентите и нашето производство е структурирано така, че да отговаря на най-висока гаранция за качество (напр. ISO сертификат).

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: