Ултразвукова ексфолиация на ксени

Ксените са двумерни (2D) едноелементни наноматериали с изключителни свойства, като много голяма повърхностна площ и анизотропни физични / химични свойства, включително превъзходна електропроводимост или якост на опън. Ултразвуковата ексфолиация или деламинация е ефективна и надеждна техника за получаване на еднослойни 2D нанолистове от слоести прекурсорни материали. Ултразвуковата ексфолиация вече е утвърдена за производството на висококачествени нанолистове от ксени в промишлен мащаб.

Ксени – монослойни наноструктури

Ксените са монослойни (2D), едноелементни наноматериали, които се отличават с графеноподобна структура, ковалентна връзка в рамките на слоя и слаби сили на Ван дер Ваалс между слоевете. Примери за материали от класа на ксените са борофен, силицен, германен, станен, фосфорен (черен фосфор), арсенен, бисмутен, телурен и антимонен. Поради еднослойната си 2D структура наноматериалите от класа на ксените се характеризират с много голяма повърхност, както и с подобрена химична и физична реактивност. Тези структурни характеристики придават на наноматериалите от класа на ксените впечатляващи фотонни, каталитични, магнитни и електронни свойства и правят тези наноструктури много интересни за множество промишлени приложения. Изображението вляво показва SEM изображения на ултразвуково ексфолиран борофен.

Производство на наноматериали от класа на ксените чрез ултразвукова деламинация

Ексфолиация на слоести наноматериали в течна среда: Еднослойните 2D нанолистове се получават от неорганични материали със слоести структури (напр. графит), състоящи се от слабо свързани подредени основни слоеве, при които се наблюдава разширяване на междуслойното пространство или набъбване при интеркалация на определени йони и/или разтворители. Ексфолиацията, при която слоестата фаза се разделя на нанолистове, обикновено съпътства набъбването поради бързото отслабване на електростатичното привличане между слоевете, което води до образуване на колоидни дисперсии на отделните 2D слоеве или листове. (вж. Geng et al, 2013) Като цяло е известно, че набъбването улеснява ексфолиацията чрез ултразвукова обработка и води до получаване на отрицателно заредени нанолистове. Предварителната химична обработка също улеснява ексфолиацията чрез ултразвукова обработка в разтворители. Например функционализацията позволява ексфолиацията на слоести двойни хидроксиди (LDHs) в алкохоли. (вж. Nicolosi et al., 2013)
За ултразвукова ексфолиация / деламинация слоестият материал се подлага на мощни ултразвукови вълни в разтворител. Когато ултразвукови вълни с висока енергийна плътност се предават в течност или суспензия, възниква акустична, наричана още ултразвукова, кавитация. Ултразвуковата кавитация се характеризира с колапс на вакуумни мехурчета. Ултразвуковите вълни преминават през течността и създават редуващи се цикли на ниско налягане / високо налягане. Миниатюрните вакуумни мехурчета възникват по време на цикъл на ниско налягане (разреждане) и нарастват в продължение на множество цикли на ниско налягане / високо налягане. Когато кавитационното мехурче достигне момента, в който не може да поглъща повече енергия, то имплодира силно и създава локални условия с много висока енергийна плътност. Кавитационната гореща точка се характеризира с много високи налягания и температура, съответните разлики в наляганията и температурите, високоскоростни течни струи и сили на срязване. Тези сономеханични и сонохимични сили вкарват разтворителя между подредените слоеве и разрушават слоестите структури от частици и слоестите кристални структури, като по този начин образуват ексфолирани нанолистове. Последователността от изображения по-долу демонстрира процеса на ексфолиация чрез ултразвукова кавитация.

Високоскоростна последователност от кадри (от a до f), илюстрираща сономеханичната ексфолиация на графитна люспа във вода с помощта на UP200S, ултразвуков апарат с мощност 200W със сонотрод с диаметър 3 mm. Стрелките показват мястото на разделяне (ексфолиация), като кавитационни мехурчета проникват в образуваната цепнатина.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Моделирането показва, че ако повърхностната енергия на разтворителя е сходна с тази на слоестия материал, енергийната разлика между ексфолираното и повторно агрегираното състояние ще бъде много малка, което премахва движещата сила за повторна агрегация. В сравнение с алтернативни методи на разбъркване и срязване ултразвуковите бъркалки осигуряват по-ефективен източник на енергия за ексфолиация, което води до демонстриране на ексфолиация, подпомагана от йонна интеркалация, на TaS₂, NbS₂ и MoS₂, както и на слоести оксиди. (вж. Nicolosi et al., 2013)

TEM изображения на нанолистове, ексфолирани ултразвуково в течна среда: (A) Графенов нанолист, ексфолиран чрез ултразвукова обработка в разтворителя N-метилпиролидон. (B) Нанолист от h-BN, ексфолиран чрез ултразвукова обработка в разтворителя изопропанол. (C) Нанолист от MoS2, ексфолиран чрез ултразвукова обработка във воден разтвор на повърхностноактивно вещество.
(Изследване и изображения: ©Nicolosi et al., 2013)

Протоколи за ултразвукова ексфолиация в течна среда

Ултразвуковата ексфолиация и деламинация на ксени и други монослойни наноматериали са подробно изследвани и успешно пренесени към етапа на промишлено производство. По-долу ви представяме избрани протоколи за ексфолиация чрез ултразвукова обработка.

Ултразвукова ексфолиация на фосфоренови нанолюспи

Фосфоренът (известен също като черен фосфор, BP) е 2D слоест, едноелементен материал, образуван от фосфорни атоми.
В изследването на Passaglia et al. (2018) е демонстрирано получаването на стабилни суспензии от фосфорен – метилметакрилат чрез подпомагана от ултразвукова обработка ексфолиация в течна фаза (LPE) на bP в присъствието на MMA, последвана от радикална полимеризация. Метилметакрилатът (MMA) е течен мономер.

Протокол за ултразвукова ексфолиация на фосфорен в течна среда

Суспензиите MMA_bPn, NVP_bPn и Sty_bPn са получени чрез LPE в присъствието само на съответния мономер. При типична процедура ∼5 mg bP, внимателно стрит в хаван, се поставя в епруветка, след което се добавя претеглено количество MMA, Sty или NVP. Суспензията на bP в мономера се обработва ултразвуково в продължение на 90 min с помощта на ултразвуков хомогенизатор Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), оборудван със сонотрод S26d2 (диаметър на върха: 2 mm). Ултразвуковата амплитуда се поддържа постоянна на 50% при P = 7 W. Във всички случаи се използва ледена баня за подобрено отвеждане на топлината. След това през крайните суспензии MMA_bPn, NVP_bPn и Sty_bPn се подава N2 в продължение на 15 min. Всички суспензии се анализират чрез DLS, като показват стойности на rH, много близки до тази на DMSO_bPn. Например суспензията MMA_bPn (със съдържание на bP около 1%) се характеризира с rH = 512 ± 58 nm.
Докато други научни изследвания върху фосфорена съобщават за продължителност на ултразвуковата обработка от няколко часа с използване на ултразвукова почистваща вана, разтворители с висока температура на кипене и ниска ефективност, изследователският екип на Passaglia демонстрира високоефективен протокол за ултразвукова ексфолиация с използване на ултразвуков апарат със сонда (а именно ултразвуковия апарат Hielscher, модел UP200St).

Ултразвукова ексфолиация на монослойни нанолистове

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

Ултразвукова ексфолиация на нанолистове от силициев диоксид с малък брой слоеве

Ексфолирани нанолистове от силициев диоксид с малък брой слоеве са получени от естествен вермикулит (Verm) чрез ултразвукова ексфолиация. За синтеза на ексфолирани нанолистове от силициев диоксид е приложен следният метод за ексфолиация в течна фаза: 40 mg нанолистове от силициев диоксид са диспергирани в 40 mL абсолютен етанол. След това сместа е обработена ултразвуково в продължение на 2 h с помощта на ултразвуков процесор Hielscher UP200St, оборудван със сонотрод с диаметър 7 mm. Амплитудата на ултразвуковата вълна е поддържана постоянна на 70%. Използвана е ледена баня, за да се избегне прегряване. Неексфолираните SN са отстранени чрез центрофугиране при 1000 rpm в продължение на 10 min. Накрая продуктът е декантиран и изсушен при стайна температура под вакуум през нощта. (вж. Guo et al., 2022)

Мощни ултразвукови сонди и реактори за ексфолиация на нанолистове от ксени

Hielscher Ultrasonics проектира, произвежда и разпространява здрави и надеждни ултразвукови апарати с всякакви размери. От компактни лабораторни ултразвукови устройства до промишлени ултразвукови сонди и реактори, Hielscher предлага идеалната ултразвукова система за вашия процес. Благодарение на дългогодишния си опит в приложения като синтез и диспергиране на наноматериали нашият добре обучен персонал ще ви препоръча най-подходящата конфигурация за вашите изисквания. Промишлените ултразвукови процесори Hielscher са известни като надеждни работни машини в промишлените съоръжения. Способни да осигуряват много високи амплитуди, ултразвуковите апарати Hielscher са идеални за високопроизводителни приложения, като синтез на ксени и други 2D монослойни наноматериали, например борофен, фосфорен или графен, както и за надеждно диспергиране на тези наноструктури.
Изключително мощен ултразвук: Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics могат да осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка.
Най-високо качество – проектирано и произведено в Германия: Цялото оборудване се проектира и произвежда в нашата централа в Германия. Преди доставката до клиента всяко ултразвуково устройство се изпитва внимателно при пълно натоварване. Стремим се към удовлетвореност на клиентите и нашето производство е организирано така, че да изпълнява най-високите изисквания за осигуряване на качеството (напр. ISO сертификация).

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