Ultrazvuková syntéza borofenu v průmyslovém měřítku
Borofen, dvourozměrný nanostrukturovaný derivát boru, lze účinně syntetizovat pomocí snadné a levné ultrazvukové exfoliace. Ultrazvukovou exfoliaci v kapalné fázi lze použít k výrobě velkého množství vysoce kvalitních borofenových nanovrstev. Technika ultrazvukové exfoliace je široce používána k výrobě 2D nanomateriálů (např. grafenu) a je dobře známá pro své výhody vysoce kvalitních nanovrstev, vysokých výnosů, rychlého a snadného provozu a také celkové účinnosti.
Ultrazvuková exfoliační metoda pro přípravu borofenu
Ultrazvukem řízená exfoliace v kapalné fázi je široce používána k přípravě 2D nanovrstev z různých objemových prekurzorů, včetně grafitu (grafen), boru (borofen) a dalších. Ve srovnání s technikou chemické exfoliace je ultrazvukem asistovaná exfoliace v kapalné fázi považována za slibnější strategii přípravy 0D a 2D nanostruktur, jako jsou kvantové tečky boru (BQD) a borofen. (srov. Wang et al., 2021)
Schéma vlevo ukazuje ultrazvukový nízkoteplotní proces kapalného odlupování 2D vícevrstvých borofenových listů. (Studie a obrázek: ©Lin et al., 2021.)
Sonochemický reaktor vybavený 2000 wattový průmyslový ultrazvukový procesor UIP2000hdT pro rozsáhlou exfoliaci borofenu.
Případové studie ultrazvukové exfoliace borofenu
Exfoliace a delaminace pomocí výkonového ultrazvuku v procesu v kapalné fázi byla široce studována a úspěšně aplikována na borofen a další deriváty boru, jako jsou kvantové tečky boru, nitrid boru nebo diborid hořečnatý.
α-borofen
Ve studii provedené Göktunou a Taşaltınem (2021) byl α borofen připraven pomocí snadné a levné ultrazvukové exfoliace. Ultrazvukem syntetizované borofenové nanovrstvy vykazují α borofenovou krystalickou strukturu.
Protokol: 100 mg mikročástic boru bylo sonikováno ve 100 ml DMF při 200 W (např. pomocí UP200St s S26d14) po dobu 4 hodin v dusíku (N2) Kabina s řízeným průtokem, aby se zabránilo oxidaci během ultrazvukového procesu exfoliace v kapalné fázi. Roztok exfoliovaných částic boru byl centrifugován rychlostí 5000 ot./min a 12 000 ot./min po dobu 15 minut, poté se borofen pečlivě shromáždil a sušil ve vakuovém prostředí po dobu 4 hodin při 50 ° C. (srov. Göktuna a Taşaltın, 2021)
Schematické znázornění borofenu s několika vrstvami exfoliovanými ultrazvukem asistovaným procesem solvotermického zpracování sondou.
Studie a obrázek: ©Zhang et al., 2020
Vícevrstvý borofen
Zhang et al. (2020) uvádějí techniku acetonové solvotermální exfoliace v kapalné fázi, která umožňuje výrobu vysoce kvalitního borofenu s velkou horizontální velikostí. Pomocí bobtnajícího efektu acetonu byl prekurzor borového prášku nejprve navlhčen v acetonu. Poté byl zvlhčený prekurzor boru dále solvotermně ošetřen v acetonu při 200 ° C, následovaný sonikací sonátorem typu sondy při 225 W po dobu 4 hodin. Nakonec byl získán borofen s několika vrstvami boru a horizontální velikostí až 5,05 mm. Techniku acetonové solvotermně asistované exfoliace v kapalné fázi lze použít k přípravě nanovrstev boru s velkými horizontálními rozměry a vysoké kvality. (srov. Zhang et al., 2020)
Když se XRD vzor ultrazvukem exfoliovaného borofenu porovná s objemovým prekurzorem boru, lze pozorovat podobný XRD vzor. Většina hlavních difrakčních píků může být indexována na b-romboedrický bór, což naznačuje, že krystalická struktura je téměř zachována před a po exfoliačním ošetření.
SEM snímky s nízkým rozlišením (a) a vysokým rozlišením (b) borofenu s několika vrstvami získanými ultrazvukem asistovanou solvotermální exfoliací v acetonu
Studie a obrázek: ©Zhang et al., 2020
XRD vzory (a) a Ramanova spektra (b) neošetřeného sypkého boru a borofenu s několika vrstvami získanými sondou ultrazvukem asistovanou solvotermální exfoliací.
Studie a obrázek: ©Zhang et al., 2020
Sonochemická syntéza bórových kvantových teček
Hao et al. (2020) úspěšně připravili velkoplošné a jednotné krystalické polovodičové halogenové kvantové tečky boru (BQD) z expandovaného borového prášku v acetonitrilu, vysoce polárním organickém rozpouštědle, pomocí výkonného ultrazvuku typu sondy (např. UP400St, UIP500hdT nebo UIP1000hdT). Syntetizované kvantové tečky boru o boční velikosti 2,46 ±0,4 nm a tloušťce 2,81 ±0,5 nm.
Protokol: V typické přípravě kvantových teček boru bylo nejprve přidáno 30 mg prášku boru do baňky se třemi hrdly a poté bylo do láhve před procesem ultrazvuku přidáno 15 ml acetonitrilu. Exfoliace byla provedena při výstupním výkonu 400 W (např. pomocí UIP500hdT), frekvence 20 kHz a ultrazvukový čas 60 min. Aby se zabránilo přehřátí roztoku během ultrazvuku, bylo použito chlazení pomocí ledové lázně nebo laboratorního chladiče pro konstantní teplotu. Výsledný roztok byl odstřeďován při 1500 otáčkách za minutu po dobu 60 minut. Supernatant obsahující kvantové tečky boru byl jemně extrahován. Všechny experimenty byly prováděny při pokojové teplotě. (srov. Hao et al., 2020)
Ve studii Wanga et al. (2021) výzkumník připravuje kvantové tečky boru také pomocí ultrazvukové techniky exfoliace v kapalné fázi. Získali monodisperzní kvantovou tečku boru s úzkou distribucí velikosti, vynikající dispergovatelností, vysokou stabilitou v roztoku IPA a dvoufotofluorescenční analýzou.
TEM snímky a odpovídající rozložení průměrů BQD připravených za různých ultrazvukových podmínek. (a) TEM snímek BQD-2 syntetizovaný při 400 W po dobu 2 hodin. (b) TEM snímek BQD-3 syntetizovaný při 550 W po dobu 1 hodiny. (c) TEM snímek BQD-3 syntetizovaný při 400 W po dobu 4 hodin. (d) Distribuce průměru kvantových teček získaná z (a). (e) Rozdělení průměru kvantových teček získané z (b). (f) Distribuce průměru kvantových teček získaných z (c).
Studie a obrázek: ©Hao et al., 2020
Ultrazvuková exfoliace nanolistů diboridu hořečnatého
Proces exfoliace byl proveden suspendováním 450 mg diboridu hořečnatého
(MgB2) prášek (přibližně 100 ok velikost / 149 mikronů) ve 150 ml vody a vystaví se ultrazvuku po dobu 30 minut. Ultrazvuková exfoliace může být provedena pomocí ultrazvukového analyzátoru typu sondy, jako je UP200Ht nebo UP400St s amplitudou 30 % a cyklickým režimem 10sec impulzy zapnutí/vypnutí. Ultrazvuková exfoliace má za následek tmavě černou suspenzi. Černou barvu lze připsat barvě nedotčeného prášku MgB2.
Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) ilustrující sonomechanickou exfoliaci grafitových vloček ve vodě pomocí UP200S, 200W ultrasonikator s 3mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení (exfoliace) s kavitačními bublinami pronikajícími do štěrbiny.
© Tyurnina et al. 2020
Výkonné Ultrasonicators pro exfoliaci borofenu v jakémkoli měřítku
Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje robustní a spolehlivé ultrasonicators jakékoli velikosti. Od kompaktních laboratorních ultrazvukových zařízení až po průmyslové ultrazvukové sondy a reaktory, Hielscher má ideální ultrazvukový systém pro váš proces. Díky dlouholetým zkušenostem s aplikacemi, jako je syntéza a disperze nanomateriálů, vám náš dobře vyškolený personál doporučí nejvhodnější nastavení pro vaše požadavky. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher jsou známé jako spolehliví pracovní koně v průmyslových zařízeních. Hielscher ultrasonicators jsou schopni dodávat velmi vysoké amplitudy a jsou ideální pro vysoce výkonné aplikace, jako je exfoliace borofenu nebo grafenu, stejně jako disperze nanomateriálů. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.
Všechna zařízení jsou navrhována a vyráběna v naší centrále v Německu. Před dodáním zákazníkovi je každý ultrazvukový přístroj pečlivě testován při plném zatížení. Usilujeme o spokojenost zákazníků a naše výroba je strukturována tak, aby splňovala nejvyšší záruky kvality (např. certifikace ISO).
- Vysoká efektivita
- Nejmodernější technologie
- spolehlivost & Robustnost
- várka & Vložené
- pro libovolný svazek
- Inteligentní software
- Chytré funkce (např. datové protokolování)
- CIP (čištění na místě)
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
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.
Fakta, která stojí za to vědět
borofen
Borofen je krystalická atomová monovrstva boru, tj. je to dvourozměrný alotrop boru (nazývaný také nanovrstva boru). Díky svým jedinečným fyzikálním a chemickým vlastnostem se borofen stává cenným materiálem pro četné průmyslové aplikace.
Výjimečné fyzikální a chemické vlastnosti borofenu zahrnují jedinečné mechanické, tepelné, elektronické, optické a supravodivé fazety.
To otevírá možnosti použití borofenu pro aplikace v iontových bateriích alkalických kovů, Li-S bateriích, skladování vodíku, superkondenzátoru, redukci a evoluci kyslíku, stejně jako elektroredukční reakci CO2. Zvláště velký zájem je o borofen jako anodový materiál pro baterie a jako materiál pro skladování vodíku. Díky vysokým teoretickým specifickým kapacitám, elektronické vodivosti a vlastnostem transportu iontů se borofen kvalifikuje jako skvělý anodový materiál pro baterie. Díky vysoké adsorpční kapacitě vodíku na borofen nabízí velký potenciál pro skladování vodíku – se stroážní kapacitou více než 15 % jeho hmotnosti.
Borofen pro skladování vodíku
Dvourozměrným (2D) materiálům na bázi boru je věnována velká pozornost jako paměťovým médiím H2 kvůli nízké atomové hmotnosti boru a stabilitě zdobení alkalických kovů na povrchu, které zvyšují interakce s H2. Dvourozměrné borofenové nanovrstvy, které lze snadno syntetizovat pomocí ultrazvukové exfoliace v kapalné fázi, jak je popsáno výše, prokázaly dobrou afinitu k různým atomům zdobícím kovy, ve kterých může dojít ke shlukování atomů kovů. Použitím různých kovových dekorací, jako jsou Li, Na, Ca a Ti na různých borofenových polymorfech, byly získány působivé gravimetrické hustoty H2 v rozmezí od 6 do 15 hm, což překračuje požadavek amerického ministerstva energetiky (DOE) na skladování 6,5 hm% H2 na palubě. (srov. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.