Ultrazvučna sinteza borofena u industrijskim razmjerima
Borofen, dvodimenzionalni nanostrukturirani derivat bora, može se efikasno sintetizirati pomoću lakog i jeftinog ultrazvučnog pilinga. Ultrazvučni piling u tečnoj fazi može se koristiti za proizvodnju velikih količina visokokvalitetnih nano listova borofena. Tehnika ultrazvučnog pilinga se široko koristi za proizvodnju 2D nanomaterijala (npr. grafena) i dobro je poznata po svojim prednostima visokokvalitetnih nano listova, visokim prinosima, brzom i lakom radu, kao i ukupnoj efikasnosti.
Metoda ultrazvučnog pilinga za pripremu borofena
Ultrazvučno vođen piling tečne faze široko se koristi za pripremu 2D nano listova od različitih rasutih prekursora uključujući grafit (grafen), bor (borofen) između ostalih. U poređenju sa tehnikom hemijskog pilinga, ultrazvučno potpomognuto piling u tečnoj fazi smatra se obećavajućom strategijom za pripremu 0D i 2D nanostruktura kao što su kvantne tačke bora (BQD) i borofen. (usp. Wang et al., 2021.)
Šema lijevo prikazuje proces ultrazvučnog tečnog pilinga 2D nekoliko slojeva borofena (Studija i slika: ©Lin et al., 2021.)
Sonohemijski reaktor opremljen a Industrijski ultrazvučni procesor od 2000 vati UIP2000hdT za veliki piling borofenom.
Studije slučaja ultrazvučnog pilinga borofenom
Eksfolijacija i delaminacija korištenjem snažnog ultrazvuka u procesu tekuće faze je široko proučavana i uspješno primijenjena na borofen i druge derivate bora kao što su kvantne tačke bora, bor nitrid ili magnezijev diborid.
α-borofen
U studiji koju su proveli Göktuna i Taşaltın (2021), α borofen je pripremljen jednostavnim i jeftinim ultrazvučnim pilingom. Ultrazvučno sintetizirane nanoploče borafena pokazuju kristalnu strukturu α borofena.
Protokol: mikročestice bora od 100 mg su sonikirane u 100 ml DMF pri 200 W (npr. korištenjem UP200St sa S26d14) tokom 4 sata u dušiku (N2) kabina sa kontrolisanim protokom kako bi se sprečila oksidacija tokom procesa ultrazvučnog pilinga u tečnoj fazi. Rastvor eksfolijiranih čestica bora je centrifugiran na 5000 o/min i 12 000 o/min u trajanju od 15 minuta, a zatim je borofen pažljivo sakupljen i sušen u vakuumu 4 h na 50ºC. (up. Göktuna i Taşaltın, 2021.)
Šematska ilustracija borofena s nekoliko slojeva pilinga pomoću sonde uz pomoć ultrazvučnog solvotermalnog procesa.
Studija i slika: ©Zhang et al., 2020
Nekoliko slojeva borofena
Zhang et al. (2020) izvještavaju o acetonskoj solvotermalnoj tečnoj fazi pilinga, koja omogućava proizvodnju visokokvalitetnog borofena velike horizontalne veličine. Koristeći efekat bubrenja acetona, prekursor bora u prahu je prvo navlažen u acetonu. Zatim je navlaženi prekursor bora dalje solvotermički tretiran u acetonu na 200ºC, nakon čega je uslijedila sonikacija sonikatorom tipa sonde na 225 W tokom 4 sata. Konačno je dobijen borofen sa nekoliko slojeva bora i horizontalne veličine do 5,05 mm. Tehnika pilinga tečne faze uz pomoć acetona solvotermalno može se koristiti za pripremu nano ploča bora velikih horizontalnih veličina i visokog kvaliteta. (usp. Zhang et al., 2020.)
Kada se XRD uzorak ultrazvučno eksfolijsanog borofena uporedi sa prekursorom bora, može se uočiti sličan XRD uzorak. Većina glavnih difrakcijskih pikova može se indeksirati na b-romboedarski bor, što sugerira da je kristalna struktura gotovo očuvana prije i nakon tretmana pilingom.
SEM slike niske rezolucije (a) i visoke rezolucije (b) borofena s nekoliko slojeva dobivene ultrazvučnim solvotermalnim pilingom u acetonu
Studija i slika: ©Zhang et al., 2020
XRD obrasci (a) i Ramanovi spektri (b) neobrađenog bora i borofena sa nekoliko slojeva dobijeni solvotermalnim pilingom uz pomoć ultrazvuka sondom.
Studija i slika: ©Zhang et al., 2020
Sonohemijska sinteza kvantnih tačaka bora
Hao et al. (2020) uspješno je pripremio velike i uniformne kristalne poluvodičke borove kvantne tačke (BQD) iz ekspandiranog praha bora u acetonitrilu, visoko polarnom organskom otapalu, koristeći moćni ultrazvučni uređaj tipa sonde (npr. UP400St, UIP500hdT ili UIP1000hdT). Sintetizovane kvantne tačke bora sa 2,46 ±0,4 nm bočne veličine i 2,81 ±0,5 nm debljine.
Protokol: U tipičnoj pripremi borovih kvantnih tačaka, 30 mg borovog praha je prvo dodato u tikvicu s tri grla, a zatim je u bocu dodano 15 mL acetonitrila prije procesa ultrazvučne obrade. Piling je izveden pri izlaznoj snazi od 400 W (npr UIP500hdT), frekvencija 20kHz i ultrazvučno vrijeme od 60 min. Kako bi se izbjeglo pregrijavanje otopine tokom ultrazvučne obrade, hlađenje pomoću ledene kupke ili laboratorijskog rashladnika je primijenjeno na konstantnu temperaturu. Dobijeni rastvor je centrifugiran na 1500 rpm tokom 60 min. Supernatant koji je sadržavao kvantne tačke bora je nežno ekstrahovan. Svi eksperimenti su izvedeni na sobnoj temperaturi. (usp. Hao et al., 2020.)
U studiji Wang et al. (2021), istraživač priprema kvantne tačke bora koristeći tehniku ultrazvučnog pilinga tečne faze. Dobili su monodisperznu borovu kvantnu tačku sa uskom distribucijom veličine, odličnom disperzibilnošću, visokom stabilnošću u IPA rastvoru i fluorescencijom od dve fotografije.
TEM slike i odgovarajuća distribucija prečnika BQD-a pripremljenih u različitim ultrazvučnim uslovima. (a) TEM slika BQDs-2 sintetizovane pri 400 W tokom 2 h. (b) TEM slika BQDs-3 sintetizovane pri 550 W tokom 1 h. (c) TEM slika BQDs-3 sintetizovane pri 400 W tokom 4 h. (d) Raspodjela prečnika kvantnih tačaka dobijenih iz (a). (e) Raspodjela prečnika kvantnih tačaka dobijenih iz (b). (f) Raspodjela prečnika kvantnih tačaka dobijenih iz (c).
Studija i slika: ©Hao et al., 2020
Ultrazvučni piling nano ploča magnezijum diborida
Proces pilinga izveden je suspenzijom 450mg magnezijum diborida
(MgB2) prah (cca. 100 mesh size / 149 mikrona) u 150 ml vode i izlaganje ultrazvuku 30 minuta. Ultrazvučni piling se može izvesti ultrazvučnim aparatom tipa sonde kao što je UP200Ht ili UP400St sa amplitudom od 30% i ciklusnim režimom od 10 sekundi on/off impulsa. Ultrazvučni piling rezultira tamno crnom suspenzijom. Crna boja se može pripisati boji netaknutog MgB2 praha.
Slijed velike brzine (od a do f) okvira koji ilustrira sono-mehaničko piling grafitne pahuljice u vodi pomoću UP200S, ultrazvučni aparat od 200W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (pilinga) sa mjehurićima kavitacije koji prodiru u rascjep.
© Tyurnina et al. 2020
Snažni ultrasonikatori za borofen piling u bilo kojoj mjeri
Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira robusne i pouzdane ultrasonikatore bilo koje veličine. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ultrazvučnih sondi i reaktora, Hielscher ima idealan ultrazvučni sistem za vaš proces. Sa dugogodišnjim iskustvom u aplikacijama kao što su sinteza nanomaterijala i disperzija, naše dobro obučeno osoblje će vam preporučiti najprikladnije podešavanje za ypour zahtjeve. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori poznati su kao pouzdani radni konji u industrijskim objektima. Sposobni da isporuče vrlo visoke amplitude, Hielscher ultrasonikatori su idealni za primjene visokih performansi kao što su piling borofena ili grafena, kao i disperzije nanomaterijala. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Sva oprema je dizajnirana i proizvedena u našem sjedištu u Njemačkoj. Prije isporuke kupcu svaki ultrazvučni uređaj se pažljivo testira pod punim opterećenjem. Težimo zadovoljstvu kupaca i naša proizvodnja je strukturirana tako da ispunjava najviše osiguranje kvaliteta (npr. ISO certifikat).
- visoka efikasnost
- najsavremenija tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- serija & U redu
- za bilo koju zapreminu
- inteligentni softver
- pametne funkcije (npr. protokoliranje podataka)
- CIP (čišćenje na mjestu)
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim 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.
Činjenice koje vrijedi znati
borofen
Borofen je kristalni atomski monosloj bora, tj. on je dvodimenzionalni alotrop bora (koji se naziva i nanolist bora). Njegove jedinstvene fizičke i hemijske karakteristike pretvaraju borofen u vrijedan materijal za brojne industrijske primjene.
Izuzetna fizička i hemijska svojstva Borofena uključuju jedinstvene mehaničke, termičke, elektronske, optičke i supravodljive aspekte.
Ovo otvara mogućnosti upotrebe borofena za primjenu u ionskim baterijama alkalnih metala, Li-S baterijama, skladištenju vodonika, superkondenzatorima, redukciji i evoluciji kisika, kao i reakciji elektroredukcije CO2. Posebno je veliko interesovanje za borofen kao anodni materijal za baterije i kao materijal za skladištenje vodonika. Zbog visokih teoretskih specifičnih kapaciteta, elektronske provodljivosti i svojstava transporta jona, borofen se kvalifikuje kao odličan anodni materijal za baterije. Zbog visokog kapaciteta adsorpcije vodika na borofen, nudi veliki potencijal za skladištenje vodonika – sa kapacitetom od preko 15% njegove težine.
Borofen za skladištenje vodonika
Dvodimenzionalni (2D) materijali na bazi bora dobijaju veliku pažnju kao H2 medijum za skladištenje zbog niske atomske mase bora i stabilnosti ukrašavanja alkalnih metala na površini, koji poboljšavaju interakciju sa H2. Dvodimenzionalni borofen nano listovi, koji se mogu lako sintetizirati korištenjem ultrazvučnog pilinga tečne faze, kao što je gore opisano, pokazali su dobar afinitet za različite atome za ukrašavanje metala, u kojima može doći do nakupljanja atoma metala. Koristeći različite metalne ukrase, kao što su Li, Na, Ca i Ti na različitim polimorfima borofena, dobijene su impresivne gravimetrijske gustine H2 u rasponu od 6 do 15 tež%, što premašuje zahtjeve američkog ministarstva za energiju (DOE) za skladištenje na brodu od 6,5 tež.% H2. (usp. Habibi et al., 2021.)
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.