Ultrazvučna sinteza borofena u industrijskim razmjerima
Borofen, dvodimenzionalni nanostrukturirani derivat bora, može se efikasno sintetizirati jednostavnom i jeftinom ultrazvučnom eksfolijacijom. Ultrazvučna eksfolijacija u tečnoj fazi može se koristiti za proizvodnju velikih količina visokokvalitetnih nanolistova borofena. Tehnika ultrazvučne eksfolijacije široko se koristi za proizvodnju 2D nanomaterijala (npr. grafena) i poznata je po prednostima poput visokog kvaliteta nanolistova, visokih prinosa, brzog i jednostavnog rada, kao i ukupne efikasnosti.
Metoda ultrazvučne eksfolijacije za pripremu borofena
Ultrazvučno potpomognuta eksfolijacija u tečnoj fazi široko se koristi za pripremu 2D nanolistova iz različitih masivnih prekursora, među ostalim iz grafita (grafen) i bora (borofen). U poređenju s tehnikom hemijske eksfolijacije, ultrazvučno potpomognuta eksfolijacija u tečnoj fazi smatra se perspektivnijom strategijom za pripremu 0D i 2D nanostruktura, kao što su kvantne tačke bora (BQD) i borofen. (usp. Wang et al., 2021)
Shema lijevo prikazuje proces ultrazvučne eksfolijacije u tečnosti na niskoj temperaturi za 2D listove borofena s malo slojeva. (Studija i slika: ©Lin et al., 2021.)
Sonohemijski reaktor opremljen industrijskim ultrazvučnim procesorom od 2000 vati UIP2000hdT za eksfolijaciju borofena u velikim razmjerima.
Studije slučaja ultrazvučne eksfolijacije borofena
Eksfolijacija i delaminacija pomoću snažnog ultrazvuka u procesu u tečnoj fazi široko su proučavane i uspješno primijenjene na borofen i druge derivate bora, kao što su kvantne tačke bora, bor-nitrid ili magnezijum-diborid.
α-borofen
U studiji koju su proveli Göktuna i Taşaltın (2021), α-borofen je pripremljen jednostavnom i jeftinom ultrazvučnom eksfolijacijom. Ultrazvučno sintetizirani nanolistovi borofena pokazuju kristalnu strukturu α-borofena.
Protokol: 100 mg mikročestica bora ultrazvučno je obrađeno u 100 ml DMF-a pri 200 W (npr. pomoću UP200St sa S26d14) tokom 4h u kabini s kontrolisanim protokom dušika (N2) radi sprječavanja oksidacije tokom procesa ultrazvučne eksfolijacije u tečnoj fazi. Rastvor eksfolijiranih čestica bora centrifugiran je pri 5000 o/min, odnosno 12.000 o/min tokom 15 min, nakon čega je borofen pažljivo sakupljen i osušen u vakuumu tokom 4h na 50ºC. (usp. Göktuna and Taşaltın, 2021)
Shematski prikaz borofena s malo slojeva eksfoliranog procesom solvotermalne obrade potpomognute ultrazvučnom sondom.
Studija i slika: ©Zhang et al., 2020
Borofen s malo slojeva
Zhang et al. (2020) izvještavaju o tehnici solvotermalne eksfolijacije u tečnoj fazi pomoću acetona, koja omogućava proizvodnju visokokvalitetnog borofena velike horizontalne dimenzije. Koristeći efekt bubrenja acetona, prekursor u obliku praha bora najprije je navlažen acetonom. Zatim je navlaženi prekursor bora dodatno solvotermalno obrađen u acetonu na 200ºC, nakon čega je slijedila ultrazvučna obrada sonikatorom sa sondom pri 225 W tokom 4h. Na kraju je dobijen borofen s nekoliko slojeva bora i horizontalnom dimenzijom do 5,05 mm. Tehnika eksfolijacije u tečnoj fazi potpomognuta solvotermalnom obradom u acetonu može se koristiti za pripremu nanolistova bora velikih horizontalnih dimenzija i visokog kvaliteta. (usp. Zhang et al., 2020)
Kada se XRD uzorak ultrazvučno eksfolijiranog borofena uporedi s masivnim prekursorom bora, može se uočiti sličan XRD uzorak. Većina glavnih difrakcijskih pikova može se indeksirati na b-romboedarski bor, što upućuje na to da je kristalna struktura gotovo očuvana prije i poslije tretmana eksfolijacije.
SEM snimci niske rezolucije (a) i visoke rezolucije (b) borofena s malo slojeva dobijenog ultrazvučno potpomognutom solvotermalnom eksfolijacijom u acetonu
Studija i slika: ©Zhang et al., 2020
XRD uzorci (a) i Ramanovi spektri (b) neobrađenog masivnog bora i borofena s malo slojeva dobijenog solvotermalnom eksfolijacijom potpomognutom ultrazvučnom sondom.
Studija i slika: ©Zhang et al., 2020
Sonohemijska sinteza kvantnih tačaka bora
Hao et al. (2020) uspješno su pripremili kristalne poluvodičke kvantne tačke bora (BQD) velikih razmjera i ujednačenih svojstava iz ekspandiranog praha bora u acetonitrilu, visoko polarnom organskom otapalu, koristeći snažan ultrazvučni uređaj sa sondom (npr. UP400St, UIP500hdT ili UIP1000hdT). Sintetizirane kvantne tačke bora imale su bočnu veličinu 2,46 ±0,4 nm i debljinu 2,81 ±0,5 nm.
Protokol: U tipičnoj pripremi kvantnih tačaka bora, 30 mg praha bora najprije je dodano u tikvicu s tri grla, a zatim je u bocu dodano 15 mL acetonitrila prije procesa ultrazvučne obrade. Eksfolijacija je provedena pri izlaznoj snazi od 400 W (npr. pomoću UIP500hdT), frekvenciji od 20kHz i trajanju ultrazvuka od 60 min. Kako bi se izbjeglo pregrijavanje rastvora tokom ultrazvučne obrade, primijenjeno je hlađenje ledenom kupkom ili laboratorijskim hladnjakom radi održavanja konstantne temperature. Dobijeni rastvor centrifugiran je pri 1500 o/min tokom 60 min. Supernatant koji je sadržavao kvantne tačke bora pažljivo je izdvojen. Svi eksperimenti provedeni su na sobnoj temperaturi. (usp. Hao et al., 2020)
U studiji Wang et al. (2021) istraživači su također pripremili kvantne tačke bora tehnikom ultrazvučne eksfolijacije u tečnoj fazi. Dobili su monodisperzne kvantne tačke bora uskog raspona veličina, odlične dispergibilnosti, visoke stabilnosti u IPA rastvoru i two-photo fluorescencije.
TEM snimci i odgovarajuća raspodjela promjera BQD-ova pripremljenih pod različitim ultrazvučnim uslovima. (a) TEM snimak BQDs-2 sintetiziranih pri 400 W tokom 2 h. (b) TEM snimak BQDs-3 sintetiziranih pri 550 W tokom 1 h. (c) TEM snimak BQDs-3 sintetiziranih pri 400 W tokom 4 h. (d) Raspodjela promjera kvantnih tačaka dobijena iz (a). (e) Raspodjela promjera kvantnih tačaka dobijena iz (b). (f) Raspodjela promjera kvantnih tačaka dobijena iz (c).
Studija i slika: ©Hao et al., 2020
Ultrazvučna eksfolijacija nanolistova magnezijum-diborida
Proces eksfolijacije proveden je suspendiranjem 450mg praha magnezijum-diborida
(MgB2) (otprilike veličine 100 mesh / 149 mikrona) u 150 ml vode i izlaganjem ultrazvučnoj obradi tokom 30 minuta. Ultrazvučna eksfolijacija može se provesti ultrazvučnim uređajem sa sondom, kao što je UP200Ht ili UP400St s amplitudom od 30% i ciklusnim režimom impulsa od 10sec uključeno/isključeno. Ultrazvučna eksfolijacija rezultira tamnom crnom suspenzijom. Crna boja može se pripisati boji netaknutog praha MgB2.
Brza sekvenca snimaka (od a do f) koja prikazuje sonomehaničku eksfolijaciju listića grafita u vodi pomoću UP200S, ultrazvučnog uređaja od 200W sa sonotrodom od 3mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (eksfolijacije) s kavitacijskim mjehurićima koji prodiru u procjep.
© Tyurnina et al. 2020
Snažni ultrazvučni uređaji za eksfolijaciju borofena u svim razmjerima
Hielscher Ultrasonics projektuje, proizvodi i distribuira robusne i pouzdane ultrazvučne uređaje svih veličina. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ultrazvučnih sondi i reaktora, Hielscher ima idealan ultrazvučni sistem za vaš proces. Zahvaljujući dugogodišnjem iskustvu u primjenama kao što su sinteza i dispergiranje nanomaterijala, naše dobro obučeno osoblje preporučit će vam najprikladniju konfiguraciju za vaše zahtjeve. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori poznati su kao pouzdani radni konji u industrijskim pogonima. Zahvaljujući sposobnosti isporuke vrlo visokih amplituda, Hielscher ultrazvučni uređaji idealni su za visokoučinkovite primjene kao što su eksfolijacija borofena ili grafena, kao i disperzije nanomaterijala. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Svi Hielscher ultrazvučni uređaji i pribor projektuju se i proizvode u sjedištu u Njemačkoj. Prije isporuke kupcu, svaki ultrazvučni uređaj pažljivo se testira pod punim opterećenjem. Težimo zadovoljstvu kupaca, a naša proizvodnja je strukturirana tako da ispunjava najviše standarde osiguranja kvaliteta (npr. ISO certifikacija).
- visoka efikasnost
- najsavremenija tehnologija
- pouzdanost i robusnost
- šaržni i inline rad
- za bilo koju zapreminu
- inteligentni softver
- pametne funkcije (npr. protokolisanje podataka)
- CIP (čišćenje na licu mjesta)
Tabela u nastavku daje okvirnu informaciju o približnom kapacitetu obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Zapremina šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, dispergiranja, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilot i industrijskim razmjerima.
Literatura / Reference
- 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.
Zanimljivosti koje vrijedi znati
Šta je borofen?
Borofen je kristalni atomski monosloj bora, tj. dvodimenzionalni alotrop bora (naziva se i nanolist bora). Njegove jedinstvene fizičke i hemijske karakteristike čine borofen vrijednim materijalom za brojne industrijske primjene.
Izuzetna fizička i hemijska svojstva borofena obuhvataju jedinstvene mehaničke, termičke, elektronske, optičke i supravodljive aspekte.
To otvara mogućnosti upotrebe borofena u primjenama kao što su baterije s ionima alkalnih metala, Li-S baterije, skladištenje vodika, superkondenzatori, redukcija i evolucija kisika, kao i reakcija elektroredukcije CO2. Posebno veliko zanimanje postoji za borofen kao anodni materijal za baterije i kao materijal za skladištenje vodika. Zahvaljujući visokim teorijskim specifičnim kapacitetima, elektronskoj provodljivosti i svojstvima transporta iona, borofen se kvalifikuje kao odličan anodni materijal za baterije. Zahvaljujući visokom adsorpcijskom kapacitetu vodika na borofenu, nudi velik potencijal za skladištenje vodika – s kapacitetom skladištenja većim od 15% njegove mase.
Kako se borofen koristi za skladištenje vodika?
Dvodimenzionalni (2D) materijali na bazi bora privlače veliku pažnju kao mediji za skladištenje H2 zbog niske atomske mase bora i stabilnosti dekorisanja površine alkalnim metalima, što pojačava interakcije s H2. Dvodimenzionalni nanolistovi borofena, koji se mogu lako sintetizirati ultrazvučnom eksfolijacijom u tečnoj fazi kako je opisano iznad, pokazali su dobar afinitet prema različitim atomima za dekorisanje metalima, pri čemu može doći do grupisanja atoma metala. Koristeći različite metalne dekoracije, kao što su Li, Na, Ca i Ti, na različitim polimorfima borofena, dobijene su impresivne gravimetrijske gustoće H2 u rasponu od 6 do 15 wt %, što premašuje zahtjev američkog Ministarstva energetike (DOE) za ugrađeno skladištenje od 6,5wt% H2. (usp. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore od laboratorijskih do industrijskih veličina.