Ултразвуково ексфолиране на ксени

Ксените са 2D моноелементни наноматериали с изключителни свойства като много висока повърхност, анизотропни физични? химични свойства, включително превъзходна електрическа проводимост или якост на опън. Ултразвуковото ексфолиране или разслояване е ефективна и надеждна техника за производство на еднослойни 2D нанолистове от слоести прекурсорни материали. Ултразвуковото ексфолиране вече е установено за производството на висококачествени ксенови нанолистове в промишлен мащаб.

Ксени – Еднослойни наноструктури

Ксените са монослойни (2D), моноелементни наноматериали, които се отличават с графеноподобна структура, вътрешнослойна ковалентна връзка и слаби сили на Ван дер Ваалс между слоевете. Примери за материали, които са част от класа на ксените, са борофен, силицен, германен, станен, фосфорен (черен фосфор), арсенен, бисмутен и телурен и антимонен. Благодарение на еднослойната си 2D структура, ксеновите наноматериали се очарват от много голяма повърхност, както и от подобрена химическа и физическа реактивност. Тези структурни характеристики придават на наноматериалите на ксените впечатляващи фотонни, каталитични, магнитни и електронни свойства и правят тези наноструктури много интересни за множество индустриални приложения. Снимката вляво показва SEM изображения на ултразвуково ексфолиран борофен.

Производство на ксенски наноматериали с помощта на ултразвуково разслояване

Течно ексфолиране на слоести наноматериали: Еднослойните 2D нанолистове се произвеждат от неорганични материали със слоести структури (напр. графит), които се състоят от хлабаво подредени слоеве гостоприемници, които показват разширяване или подуване на галерията слой по слой при интеркалация на определени йони и/или разтворители. Ексфолирането, при което слоестата фаза се разцепва на нанолистове, обикновено придружава подуването поради бързо отслабените електростатични привличания между слоевете, които произвеждат колоидни дисперсии на отделните 2D слоеве или листове. (срв. Geng et al, 2013) Като цяло е известно, че подуването улеснява ексфолирането чрез ултразвук и води до отрицателно заредени нанолистове. Химическата предварителна обработка също улеснява ексфолирането чрез ултразвук в разтворители. Например, функционализацията позволява ексфолирането на слоести двойни хидроксиди (LDH) в алкохоли. (срв. Nicolosi et al., 2013)
За ултразвуково ексфолиране? разслояване слоестият материал се излага на мощни ултразвукови вълни в разтворител. Когато енергийно плътните ултразвукови вълни са свързани в течност или каша, възниква акустична кавитация, известна още като ултразвукова кавитация. Ултразвуковата кавитация се характеризира с колапс на вакуумни мехурчета. Ултразвуковите вълни преминават през течността и генерират редуващи се цикли на ниско? високо налягане. Малките вакуумни мехурчета възникват по време на цикъл на ниско налягане (разреждане) и растат при различни цикли на ниско? високо налягане. Когато кавитационният мехур достигне точката, в която не може да абсорбира допълнителна енергия, мехурът се взривява силно и създава локално много енергийно плътни условия. Кавитационната гореща точка се определя от много високи налягания и температура, съответни налягания и температурни разлики, високоскоростни течни струи и сили на срязване. Тези сономеханични и сонохимични сили изтласкват разтворителя между подредените слоеве и разбиват слоестите частици и кристални структури, като по този начин произвеждат ексфолирани нанолистове. Последователността на изображенията по-долу демонстрира процеса на ексфолиране чрез ултразвукова кавитация.

Високоскоростна последователност (от a до f) кадри, илюстриращи сономеханично ексфолиране на графитна люспа във вода с помощта на UP200S, 200W ултразвуков уред с 3-милиметров сонотрод. Стрелките показват мястото на разцепване (ексфолиране) с кавитационни мехурчета, проникващи в разцепването.© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Моделирането показва, че ако повърхностната енергия на разтворителя е подобна на тази на слоестия материал, енергийната разлика между ексфолираното и реагрегираното състояние ще бъде много малка, премахвайки движещата сила за реагрегация. В сравнение с алтернативните методи за разбъркване и срязване, ултразвуковите бъркалки осигуряват по-ефективен източник на енергия за ексфолиране, което води до демонстрация на йонна интеркалация с помощта на ексфолиране на TaS₂, NbS₂и MoS₂, както и слоести оксиди. (срв. Nicolosi et al., 2013)

TEM изображения на ултразвуково течни ексфолирани нанолистове: (A) Графенов нанолист, ексфолиран чрез ултразвук в разтворителя N-метил-пиролидон. (B) Нанолист h-BN, ексфолиран чрез ултразвук в разтворителя изопропанол. (C) Нанолист MoS2, ексфолиран чрез ултразвук във воден разтвор на повърхностноактивно активно вещество.(Проучване и снимки: ©Nicolosi et al., 2013)

Ултразвукови протоколи за ексфолиране на течности

Ултразвуковото ексфолиране и разслояване на ксени и други еднослойни наноматериали е широко проучено в научните изследвания и успешно е прехвърлено в етап на промишлено производство. По-долу ви представяме избрани протоколи за ексфолиране с помощта на ултразвук.

Ултразвуково ексфолиране на фосфоренови нанолюспи

Фосфоренът (известен също като черен фосфор, BP) е 2D слоест, моноелементен материал, образуван от фосфорни атоми.
В изследванията на Passaglia et al. (2018) е демонстрирано получаването на стабилни суспензии на фосфорен − метил метакрилат чрез ексфолиация в течна фаза (LPE) на bP с помощта на ултразвук в присъствието на MMA, последвано от радикална полимеризация. Метил метакрилат (MMA) е течен мономер.

Протокол за ултразвуково течно ексфолиране на фосфорен

MMA_bPn, NVP_bPn и Sty_bPn суспензии са получени чрез LPE в присъствието на единствения мономер. При типична процедура ∼5 mg bP, внимателно смачкано в хаванче, се поставя в епруветка и след това се добавя претеглено количество MMA, Sty или NVP. Мономерната bP суспензия беше ултразвукова за 90 минути с помощта на хомогенизатор Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), оборудван със сонотрод S26d2 (диаметър на върха: 2 mm). Ултразвуковата амплитуда се поддържа постоянна на 50% с P = 7 W. Във всички случаи се използва ледена баня за подобрено разсейване на топлината. Последните MMA_bPn, NVP_bPn и Sty_bPn отстранявания след това бяха инсуфлирани с N2 за 15 минути. Всички суспензии са анализирани от DLS, показвайки стойности на rH, наистина близки до тези на DMSO_bPn. Например, суспензията MMA_bPn (с около 1% съдържание на bP) се характеризира с rH = 512 ± 58 nm.
Докато други научни изследвания върху фосфорена съобщават за ултразвуково време от няколко часа с помощта на ултразвуков почистващ препарат, разтворители с висока точка на кипене и ниска ефективност, изследователският екип на Passaglia демонстрира високоефективен ултразвуков протокол за ексфолиране с помощта на ултразвуков ултразвук тип сонда (а именно ултразвукораздвижител тип сонда (а именно Ултразвуков апарат Hielscher модел UP200St).

Ултразвуково ексфолиране на еднослойни нанолистове

За да прочетете по-конкретни подробности и протоколи за ексфолиране на нанолистове от борофен и рутениев оксид, моля, следвайте връзките по-долу:
Борофен: За протоколи за ултразвукова ексфолиация и резултати от ултразвуково ексфолиране на борофен, моля, кликнете тук!
RuO2: За протоколи за ултразвукова ексфолиация на нанолистове рутениев оксид, моля, щракнете тук!

Ултразвуково ексфолиране на многослойни силициеви нанолистове

Многослойни ексфолирани силициеви нанолистове са приготвени от естествен вермикулит (Verm) чрез ултразвуково ексфолиране. За синтеза на ексфолирани нанолистове от силициев диоксид е приложен следният метод на ексфолиране в течна фаза: 40 mg нанолистове силициев диоксид се диспергират в 40 ml абсолютен етанол. Впоследствие сместа беше ултразвукова в продължение на 2 часа с помощта на ултразвуков процесор Hielscher UP200St, оборудван със 7 мм сонотрод. Амплитудата на ултразвуковата вълна се поддържа постоянна на 70%. Приложена е ледена баня, за да се избегне прегряване. Неексфолираният SN се отстранява чрез центрофугиране при 1000 об? мин за 10 минути. Накрая продуктът се декантира и изсушава при стайна температура под вакуум за една нощ. (срв. Guo et al., 2022)

Мощни ултразвукови сонди и реактори за ексфолиране на ксенови нанолистове

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 вашите изисквания. Индустриалните ултразвукови процесори на Hielscher са известни като надеждни работни коне в промишлени съоръжения. Способни да доставят много високи амплитуди, ултразвуковите апарати на Hielscher са идеални за високопроизводителни приложения като синтез на ксени и други 2D еднослойни наноматериали като борофен, фосфорен или графен, както и за надеждна дисперсия на тези наноструктури.
Изключително мощен ултразвук: Hielscher Ultrasonics’ Индустриалните ултразвукови процесори могат да осигурят много високи амплитуди. 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.
Най-високо качество – Проектирани и произведени в Германия: 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: