Ultrazvučna eksfoliacija Xenesa

Xenes su 2D monoelementni nanomaterijali sa izvanrednim svojstvima kao što su vrlo visoka površina, anisotropna fizička / hemijska svojstva uključujući superiornu električnu provodljivost ili vlačnu čvrstoću. Ultrazvučna eksfoliacija ili delaminacija je efikasna i pouzdana tehnika za proizvodnju jednoslojnih 2D nanošeta od slojnih materijala prekursora. Ultrazvučna eksfoliacija je već uspostavljena za proizvodnju visokokvalitetnih ksena nanoša na industrijskim razmjerima.

Xenes – Monolejne nanostrukture

Xenes su jednoslojni (2D), monoelementni nanomaterijali, koji ugrađuju strukturu naliku grafenu, intra-slojnu kovalentnu vezu, i slabe van der Waalsove sile između sloja. Primjeri za materijale, koji su dio klase ksena su borofin, silicen, germanen, stanene, fosforen (crni fosfor), arsenen, bizmuten, te tellurene i antimonene. Zbog svoje jednoslojne 2D strukture, ksenovi nanomaterijali su charcterizirani veoma velikom površinom kao i poboljšanim hemijskim i fizičkim aktivnostima. Ove strukturne karakteristike daju ksenima nanomateriale impresivne fotonske, katalitičke, magnetske i elektronske osobine i čine ove nanostrukture vrlo zanimljivima za brojne industrijske primjene. Slika lijevo pokazuje SEM slike ultrazvučno eksfoliranog borofa.

Proizvodnja Xenes Nanomaterials pomoću Ultrasonic Delamination

Tečni exfoliation of Layered Nanomaterials: Jednoslojni 2D nanošeti su proizvedeni od neorganskog materijala sa slojnim strukturama (npr. grafit) koji se sastoji u labavo naslaganim domaćinskim slojem koji prikazuju širenje galerije sloja do sloja ili oticanje na interkalaciji određenih iona i/ili otapao. Eksfoliacija, u kojoj je slojna faza cijepana u nanošete, obično prati oticanje zbog brzo oslabljenih elektrostatičkog privlačenja između sloja koji proizvode koloidna disperzija pojedinačnih 2D sloja ili limova. (cf. Geng et al, 2013) Generalno je poznato da oteklina olakšava eksfoliaciju putem ultrasonikacije i rezultira negativno naelekcionim nanošetima. Hemijska pretreatacija također olakšava pilanje sonikacijom u otapačima. Naprimjer, funkcionalnost omogućava eksfoliaciju slojnih dvostrukih hidroksida (LDH) u alkoholima. (cf. Nicolosi et al., 2013)
Za ultrazvučnu eksfoliaciju / delaminaciju slojni materijal je izložen snažnim ultrazvučnim talasima u otapao. Kada su energetski gusti ultrazvučni talasi zajedno u tečnu ili muljavu, dolazi do akustične ili ili ultrazvučne kavitacije. Ultrazvučnu kavitaciju karakterizira kolaps vakuumskog mjehurića. Ultrazvučni talasi putuju kroz tečnost i stvaraju naizmjenični nizak pritisak / cikluse visokog pritiska. Minutni vakuumski mjehurići nastaju tokom ciklusa niskog pritiska (rijetkosti) i rastu preko različitih ciklusa niskog pritiska / visokog pritiska. Kada kavitacioni mjehur dostigne tačku gdje ne može apsorbirati daljnju energiju, mjehurić implodira nasilno i stvara lokalno vrlo energetski gusta stanja. Kavitaciona vruća tačka određuje se vrlo visokim pritiscima i temperaturom, odgovarajućim pritiscima i temperaturnim difencijalima, tečni mlazovima velike brzine i silama smice. Ove sonomehanske i sonohemske sile guraju rastvarač između naslaganih slojeva i slojevnih slojevnih čestica i kristalnih struktura i time proizvode eksfoliirane nanošete. Niz slika ispod pokazuje proces eksfoliacije ultrazvučnom kavitacijom.

Sekvenca velike brzine (od a do f) okvira koji ilustrira sono-mehaničko izlučivanje grafitnog pahulja u vodi pomoću UP200S, ultrasonikator od 200W sa 3-mm sonotrode. Strelice pokazuju mjesto razdvojenosti (eksfoliacije) s mjehurićima kavitacije koji prodiru u podjelu.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modeliranje je pokazalo da će, ako je površinska energija otapao slična onoj slojnog materijala, energetska razlika između eksfoliranih i preagregovanih stanja biti vrlo mala, uklanjajući snagu za preagregaciju. U poređenju sa alternativnim metodama miješanja i šišanje, ultrazvučni agitatori su pružili efikasniji izvor energije za eksfoliaciju, što je dovelo do demonstracije ione interkalacije uz pomoć eksfoliacije TaS-a.₂, NbS₂, i MoS₂, kao i slojne okside. (cf. Nicolosi et al., 2013)

TEM slike ultrazvučno tečni eksfoliated nanosheets: (A) A graphene nanosheet exfoliated by sonication in the solvent N-methyl-pyrrolidone. (B) A h-BN nanosheet exfoliated by means of sonication in the solvent isopropanol. (C) MoS2 nanosheet exfoliated by means of sonication in aqueous surfactant solution.
(Studija i slike: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultrazvučni protokoli za tečnost i eksfoliaciju

Ultrazvučna eksfoliacija i delaminacija ksena i drugih monolajernih nanomaterijala je obimno proučavana u istraživanjima i uspješno je prebačena u fazu industrijske proizvodnje. U nastavku vam predstavljamo odabrane protokole eksfoliacije koristeći sonication.

Ultrazvučni Eksfoliation of Phosphorene Nanoflakes

Fosforen (poznat i kao crni fosfor, BP) je 2D slojni, monoelementalni materijal formiran od fosfornih atoma.
U istraživanjima Passaglia et al. (2018), pokazuje se priprema stabilnih suspenzija fosfata − metil-metakrylata sonication-assisted tečni-fazni eksfoliation (LPE) bP u prisustvu MMA praćen radikalnom polimerizacijom. Metil metakrylat (MMA) je tečni monomer.

Protokol za ultrazvučnu tečnost Exfoliation of Phosphorene

MMA_bPn, NVP_bPn, i Sty_bPn suspenzije su dobivene od strane LPE u prisustvu jedini monomer. U tipičnom postupku, ∼5 mg bP, pažljivo zdrobljen u malteru, stavili su u epruvetu, a zatim je dodana potegana količina MMA, Sty ili NVP. Ovjes monomera bP je bio soniciran 90 min koristeći Hielscher Ultrasonics homogenizer UP200St (200W, 26kHz), opremljen sonotrode S26d2 (promjer vrha: 2 mm). Ultrazvučna amplituda se održavala konstantom na 50% sa P = 7 W. U svim slučajevima, ledena kupka je korištena za poboljšano disipiranje topline. Završni MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn su tada insufflated sa N2 na 15 min. Sve suspenzije je analizirao DLS, pokazujući vrijednosti RH stvarno blizu vrijednosti DMSO_bPn. Na primjer, MMA_bPn suspenziju (koja ima oko 1% sadržaja bP) okarakterizirao je rH = 512 ± 58 nm.
Dok druge naučne studije o fosforenskom izvještaju vrijeme sonikacije od nekoliko sati koristeći ultrazvučni čistač, visoko otapačište za ključanje, i nisku efikasnost, istraživački tim Passaglia demonstrira vrlo efikasan ultrazvučni protokol o eksfoliaciji pomoću ultrasonikatora tipa sonde (dakle, UP200St).

Ultrazvučni Borophene Exfoliation

Za protokole sonikacije i rezultate ultrazvučne eksfoliacije borofa, molimo kliknite ovdje!

Ultrazvučni eksfoliation of Few-Layer Silica Nanosheets

Maloslojni eksfoliirani silicijski nanošeti (E-SN) bili su pripremljeni od prirodnog vermikulita (Verm) putem ultrazvučne eksfoliacije. Za sintezu eksfoliranih silicij-nanošeta primijenjena je sljedeća metoda eksfoliacije tečnosti i faze: 40 mg silika nanošeta (SN) su raspršeni u 40 mL apsolutnog etanola. Naknadno, smjesa je bila ultrasonicirana 2 h koristeći Hielscher Ultrazvučni procesor UP200St, opremljen sonotrode od 7 mm. Amplituda ultrazvuka je bila konstantna na 70%. Nanesena je ledena kupka kako bi se izbjeglo pregružavanje. Neeksfoliirani SN su uklonjeni centrifugacijom pri 1000 o/min 10 min. Konačno, proizvod je dekontiran i sušen na sofnoj temperaturi pod vakuumom preko noći. (cf. Guo et al., 2022)

Ultrazvučne sonde i reaktori visoke snage za eksfoliaciju Xenes Nanosheets

Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi, i distribuira robusne i pouzdane ultrasonikatore u bilo koju veličinu. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ultrazvučnih sondi i reaktora, Hielscher ima idealan ultrazvučni sistem za vaš proces. Uz dugo vrijeme iskustva u aplikacijama kao što su nanomaterijalna sinteza i disperzija, naše dobro obučeno osoblje će vam preporučiti najpogostenije podešavanje za vaše zahtjeve. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori su poznati kao pouzdani konji na poslu u industrijskim objektima. Sposobni isporučiti vrlo visoke amplitude, Hielscher ultrasonicators su idealni za visokousposobne aplikacije kao što su sinteza ksenova i drugih 2D monolayer nanomaterijala kao što su borofin, fosforen ili grafen kao i pouzdano raspršivanje ovih nanostrukturusa.
Izvanredno moćan ultrazvuk: Hielscher Ultrazvuk’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitute. Amplitute do 200μm mogu se lako kontinuirano pokrenuti u 24/7 operaciji. Za još više amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Najkvalitetnije – Dizajniran i napravljen u Njemačkoj: Sva oprema je dizajnirana i proizvedena u našem zaglavlju u Njemačkoj. Prije isporuke klijentu, svaki ultrazvučni uređaj se pažljivo testira pod punim teretom. Težimo zadovoljstvu kupaca i naša proizvodnja je strukturiran kako bi ispunila najkvalitetnije osiguranje (npr. ISO certifikacija).

Tabela u nastavku daje naznaku približan kapacitet prerade naših ultrasonicators: