Ultrazvuková syntéza borofenu v průmyslovém měřítku

Borofen, dvourozměrný nanostrukturovaný derivát boru, lze efektivně syntetizovat jednoduchou a levnou ultrazvukovou exfoliací. Ultrazvukovou exfoliaci v kapalné fázi lze využít k výrobě velkého množství vysoce kvalitních borofenových nanovrstev. Technika ultrazvukové exfoliace se široce používá k výrobě 2D nanomateriálů (např. grafenu) a je dobře známá svými výhodami, jako jsou vysoce kvalitní nanovrstvy, vysoké výtěžky, rychlý a jednoduchý provoz a celková efektivita.

Metoda ultrazvukové exfoliace pro přípravu borofenu

Ultrazvukem řízená exfoliace v kapalné fázi se široce používá k přípravě 2D nanovrstev z různých objemových prekurzorů, mimo jiné z grafitu (grafen) a boru (borofen). Ve srovnání s technikou chemické exfoliace je ultrazvukem asistovaná exfoliace v kapalné fázi považována za slibnější strategii přípravy 0D a 2D nanostruktur, jako jsou borové kvantové tečky (BQDs) a borofen. (srov. Wang et al., 2021)
Schéma vlevo znázorňuje proces ultrazvukové nízkoteplotní exfoliace 2D několikavrstvých borofenových vrstev v kapalině.(Studie a obrázek: ©Lin et al., 2021.)

Případové studie ultrazvukové exfoliace borofenu

Exfoliace a delaminace pomocí výkonového ultrazvuku v procesu v kapalné fázi byla rozsáhle studována a úspěšně aplikována na borofen a další deriváty boru, jako jsou borové kvantové tečky, nitrid boru nebo diborid hořečnatý.

α-borofen

Ve studii, kterou provedli Göktuna a Taşaltın (2021), byl α borofen připraven jednoduchou a levnou ultrazvukovou exfoliací. Ultrazvukem syntetizované borofenové nanovrstvy vykazují krystalovou strukturu α borofenu.
Protokol: 100 mg borových mikročástic bylo sonikováno ve 100 ml DMF při 200 W (např. pomocí UP200St se S26d14) po dobu 4h v kabině s řízeným průtokem dusíku (N₂), aby se během procesu ultrazvukové exfoliace v kapalné fázi zabránilo oxidaci. Roztok exfoliovaných borových částic byl centrifugován při 5000 ot./min a 12 000 ot./min, vždy po dobu 15 min, poté byl borofen pečlivě shromážděn a sušen ve vakuu po dobu 4h při 50ºC. (srov. Göktuna a Taşaltın, 2021)

Schematické znázornění několikavrstvého borofenu exfoliovaného procesem solvotermálního zpracování asistovaného sondovým ultrazvukem.
Studie a obrázek: ©Zhang et al., 2020

Několikavrstvý borofen

Zhang et al. (2020) popisují techniku acetonové solvotermální exfoliace v kapalné fázi, která umožňuje výrobu vysoce kvalitního borofenu s velkým horizontálním rozměrem. S využitím bobtnacího účinku acetonu byl prekurzor – borový prášek – nejprve smočen v acetonu. Poté byl smočený borový prekurzor dále solvotermálně zpracován v acetonu při 200ºC a následně sonikován sondovým sonikátorem při 225 W po dobu 4h. Nakonec byl získán borofen s několika vrstvami boru a horizontálním rozměrem až 5,05 mm. Techniku acetonové solvotermálně asistované exfoliace v kapalné fázi lze použít k přípravě borových nanovrstev s velkými horizontálními rozměry a vysokou kvalitou. (srov. Zhang et al., 2020)
Při porovnání XRD difraktogramu ultrazvukem exfoliovaného borofenu s objemovým borovým prekurzorem lze pozorovat podobný XRD difraktogram. Většinu hlavních difrakčních píků lze přiřadit b-romboedrickému boru, což naznačuje, že krystalová struktura je před exfoliačním zpracováním a po něm téměř zachována.

Snímky SEM s nízkým rozlišením (a) a vysokým rozlišením (b) několikavrstvého borofenu získaného ultrazvukem asistovanou solvotermální exfoliací v acetonu
Studie a obrázek: ©Zhang et al., 2020

XRD difraktogramy (a) a Ramanova spektra (b) neupraveného objemového boru a několikavrstvého borofenu získaného solvotermální exfoliací asistovanou sondovým ultrazvukem.
Studie a obrázek: ©Zhang et al., 2020

Sonochemická syntéza borových kvantových teček

Hao et al. (2020) úspěšně připravili ve velkém měřítku uniformní krystalické polovodičové borové kvantové tečky (BQDs) z expandovaného borového prášku v acetonitrilu, vysoce polárním organickém rozpouštědle, pomocí výkonného sondového sonikátoru (např. UP400St, UIP500hdT nebo UIP1000hdT). Syntetizované borové kvantové tečky měly laterální rozměr 2,46 ±0,4 nm a tloušťku 2,81 ±0,5 nm.
Protokol: Při typické přípravě borových kvantových teček bylo nejprve do tříhrdlé baňky vloženo 30 mg borového prášku a poté bylo do baňky před procesem ultrazvukového zpracování přidáno 15 mL acetonitrilu. Exfoliace byla provedena při výstupním výkonu 400 W (např. pomocí UIP500hdT), frekvenci 20kHz a době sonikace 60 min. Aby se zabránilo přehřátí roztoku během sonikace, bylo pro udržení konstantní teploty použito chlazení ledovou lázní nebo laboratorním chladičem. Výsledný roztok byl centrifugován při 1500 ot./min po dobu 60 min. Supernatant obsahující borové kvantové tečky byl šetrně odebrán. Všechny experimenty byly prováděny při pokojové teplotě. (srov. Hao et al., 2020)
Ve studii Wang et al. (2021) připravili výzkumníci borové kvantové tečky rovněž technikou ultrazvukové exfoliace v kapalné fázi. Získali monodisperzní borové kvantové tečky s úzkou distribucí velikosti, vynikající dispergovatelností, vysokou stabilitou v roztoku IPA a fluorescencí „two-photo“.

Snímky TEM a odpovídající distribuce průměrů BQDs připravených za různých ultrazvukových podmínek. (a) Snímek TEM BQDs-2 syntetizovaných při 400 W po dobu 2 h. (b) Snímek TEM BQDs-3 syntetizovaných při 550 W po dobu 1 h. (c) Snímek TEM BQDs-3 syntetizovaných při 400 W po dobu 4 h. (d) Distribuce průměrů kvantových teček získaná z (a). (e) Distribuce průměrů kvantových teček získaná z (b). (f) Distribuce průměrů kvantových teček získaná z (c).
Studie a obrázek: ©Hao et al., 2020

Ultrazvuková exfoliace nanovrstev diboridu hořečnatého

Proces exfoliace byl proveden suspendováním 450mg diboridu hořečnatého
(MgB₂) ve formě prášku (velikost přibl. 100 mesh / 149 mikronů) ve 150 ml vody a jeho vystavením sonikaci po dobu 30 minut. Ultrazvukovou exfoliaci lze provést sondovým sonikátorem, jako je UP200Ht nebo UP400St s amplitudou 30 % a cyklickým režimem pulzů 10sec zapnuto/vypnuto. Výsledkem ultrazvukové exfoliace je tmavě černá suspenze. Černou barvu lze přičíst barvě původního prášku MgB2.

Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) znázorňující sonomechanickou exfoliaci grafitové vločky ve vodě pomocí UP200S, 200W sonikátoru se 3mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení (exfoliace), kde do trhliny pronikají kavitační bubliny.
© Tyurnina et al. 2020

Výkonné sonikátory pro exfoliaci borofenu v jakémkoli měřítku

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje robustní a spolehlivé sonikátory v jakékoli velikosti. Od kompaktních laboratorních ultrazvukových přístrojů 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 sestavu pro Vaše požadavky. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher jsou známé jako spolehliví tahouni v průmyslových provozech. Sonikátory Hielscher jsou schopné dodávat velmi vysoké amplitudy, a jsou proto ideální pro vysoce výkonné aplikace, jako je exfoliace borofenu nebo grafenu, i pro disperze nanomateriálů. Amplitudy až 200µm lze snadno a nepřetržitě provozovat v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody.
Veškeré vybavení je navrženo a vyrobeno v našem sídle v Německu. Před dodáním zákazníkovi je každé ultrazvukové zařízení pečlivě testováno při plném zatížení. Usilujeme o spokojenost zákazníků a naše výroba je uspořádána tak, aby splňovala nejvyšší standardy zajištění kvality (např. certifikace ISO).

Níže uvedená tabulka poskytuje orientační přehled o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů: