Ultrazvuková exfoliace Xenes

Xeny jsou 2D monoelementální nanomateriály s mimořádnými vlastnostmi, jako je velmi vysoká povrchová plocha, anizotropní fyzikální / chemické vlastnosti včetně vynikající elektrické vodivosti nebo pevnosti v tahu. Ultrazvuková exfoliace nebo delaminace je účinná a spolehlivá technika pro výrobu jednovrstvých 2D nanodesků z vrstvených prekurzorových materiálů. Ultrazvuková exfoliace je již zavedena pro výrobu vysoce kvalitních nanodesků xenů v průmyslovém měřítku.

Xenes – Jednovrstvé nanostruktury

Xeny jsou jednovrstvé (2D), monoelementální nanomateriály, které se vyznačují grafenovou strukturou, intravrstvou kovalentní vazbou a slabými van der Waalsovými silami mezi vrstvami. Příklady materiálů, které jsou součástí třídy xenů, jsou borofen, křemičitan, germanen, stanen, fosforen (černý fosfor), arsenen, bismuthen a telluren a antimonen. Díky své jednovrstvé 2D struktuře jsou nanomateriály xenů charkterizovány velmi velkým povrchem a zlepšenými chemickými a fyzikálními reaktivitami. Tyto strukturní vlastnosti dávají nanomateriálům xenů působivé fotonické, katalytické, magnetické a elektronické vlastnosti a činí tyto nanostruktury velmi zajímavými pro četné průmyslové aplikace. Obrázek vlevo ukazuje SEM obrázky ultrazvukem exfoliovaného borofenu.

Výroba nanomateriálů Xenes pomocí ultrazvukové delaminace

Kapalná exfoliace vrstvených nanomateriálů: Jednovrstvé 2D nanodesky jsou vyráběny z anorganických materiálů s vrstvenými strukturami (např. grafit), které se skládají z volně naskládaných hostitelských vrstev, které vykazují expanzi nebo bobtnání galerie vrstvy na vrstvu při interkalaci určitých iontů a / nebo rozpouštědel. Exfoliace, při které je vrstvená fáze štěpena na nanodesky, typicky doprovází otok v důsledku rychle oslabených elektrostatických přitažlivostí mezi vrstvami, které produkují koloidní disperze jednotlivých 2D vrstev nebo listů. (srov. Geng et al, 2013) Obecně je známo, že otok usnadňuje exfoliaci ultrazvukem a vede k záporně nabitým nanodeskám. Chemická předúprava také usnadňuje exfoliaci pomocí sonikace v rozpouštědlech. Například funkcionalizace umožňuje exfoliaci vrstvených dvojitých hydroxidů (LDH) v alkoholech. (srov. Nicolosi et al., 2013)
Pro ultrazvukovou exfoliaci / delaminaci je vrstvený materiál vystaven silným ultrazvukovým vlnám v rozpouštědle. Když jsou energeticky husté ultrazvukové vlny spojeny do kapaliny nebo kejdy, dochází k akustické aka ultrazvukové kavitaci. Ultrazvuková kavitace je charakterizována kolapsem vakuových bublin. Ultrazvukové vlny procházejí kapalinou a generují střídavé nízkotlaké / vysokotlaké cykly. Minutové vakuové bubliny vznikají během nízkotlakého (zředěného) cyklu a rostou v různých nízkotlakých / vysokotlakých cyklech. Když kavitační bublina dosáhne bodu, kdy nemůže absorbovat žádnou další energii, bublina prudce imploduje a vytváří lokálně velmi energeticky husté podmínky. Kavitační horký bod je určen velmi vysokými tlaky a teplotami, příslušnými tlaky a teplotními rozdíly, vysokorychlostními kapalnými tryskami a smykovými silami. Tyto sonomechanické a sonochemické síly tlačí rozpouštědlo mezi naskládané vrstvy a rozpadají vrstvené částice a krystalické struktury, čímž vznikají exfoliované nanodesky. Níže uvedená sekvence obrázků demonstruje proces exfoliace ultrazvukovou kavitací.

Vysokorychlostní sekvence (od a do f) snímků znázorňujících sonomechanickou exfoliaci grafitové vločky ve vodě pomocí UP200S, 200W ultrasonicator s 3-mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení (exfoliace) s kavitačními bublinami pronikajícími do štěpení.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelování ukázalo, že pokud je povrchová energie rozpouštědla podobná energii vrstveného materiálu, energetický rozdíl mezi exfoliovaným a reagregovaným stavem bude velmi malý, což odstraní hnací sílu pro reagregaci. Ve srovnání s alternativními metodami míchání a stříhání poskytovaly ultrazvukové míchadla účinnější zdroj energie pro exfoliaci, což vedlo k demonstraci iontové interkalační asistované exfoliace TaS₂, NbS₂a MZ₂, stejně jako vrstvené oxidy. (srov. Nicolosi et al., 2013)

TEM obrazy ultrazvukem kapalných exfoliovaných nanosheetů: (A) Grafenový nanodesk exfoliovaný pomocí sonikace v rozpouštědle N-methyl-pyrrolidon. (B) Nanodeska h-BN exfoliovaný pomocí sonikace v rozpouštědle isopropanol. (C) Nanodeska MoS2 exfoliovaná pomocí sonikace ve vodném povrchově aktivním roztoku.
(Studie a obrázky: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultrazvukové kapalina-exfoliační protokoly

Ultrazvuková exfoliace a delaminace xenů a dalších jednovrstvých nanomateriálů byla rozsáhle studována ve výzkumu a byla úspěšně přenesena do fáze průmyslové výroby. Níže uvádíme vybrané exfoliační protokoly pomocí sonikace.

Ultrazvuková exfoliace fosforečných nanofluložek

Fosforen (také známý jako černý fosfor, BP) je 2D vrstvený, monoelementální materiál tvořený atomy fosforu.
Ve výzkumu Passaglia et al. (2018) je demonstrována příprava stabilních suspenzí fosforenu − methylmetakrylátu exfoliací v kapalné fázi (LPE) bP v přítomnosti MMA následovanou radikální polymerací. Methylmethakrylát (MMA) je kapalný monomer.

Protokol pro ultrazvukovou kapalnou exfoliaci fosforenu

MMA_bPn, NVP_bPn a Sty_bPn suspenzí získala LPE v přítomnosti jediného monomeru. V typickém postupu bylo ∼ 5 mg bP, pečlivě rozdrceno v maltě, vloženo do zkumavky a poté bylo přidáno vážené množství MMA, Sty nebo NVP. Monomerní bP suspenze byla sonikována po dobu 90 minut pomocí homogenizátoru Hielscher Ultrasonics UP200St (200 W, 26 kHz), vybavené sonotrodou S26d2 (průměr hrotu: 2 mm). Ultrazvuková amplituda byla udržována konstantní na 50% s P = 7 W. Ve všech případech byla pro lepší odvod tepla použita ledová lázeň. Poslední MMA_bPn, NVP_bPn a Sty_bPn zavěšení pak byly po dobu 15 minut naplněny N2. Všechna odpružení byla analyzována pomocí DLS a ukázala hodnoty rH opravdu blízké hodnotám DMSO_bPn. Například MMA_bPn suspenze (s přibližně 1% obsahu bP) byla charakterizována rH = 512 ± 58 nm.
Zatímco jiné vědecké studie o fosforenu hlásí dobu sonikace několika hodin pomocí ultrazvukového čističe, rozpouštědel s vysokým bodem varu a nízké účinnosti, výzkumný tým Passaglia demonstruje vysoce účinný ultrazvukový exfoliační protokol pomocí ultrazvukového ultrasonicatoru typu sondy (tj. UP200St).

Ultrazvuková exfoliace borofenu

Pro sonikační protokoly a výsledky ultrazvukové exfoliace borofenu, klikněte prosím zde!

Ultrazvuková exfoliace nanodesků s několika vrstvami oxidu křemičitého

Několik vrstev exfoliovaných křemičitých nanodesků (E-SN) bylo připraveno z přírodního vermikulitu (Verm) ultrazvukovou exfoliací. Pro syntézu exfoliovaných nanodesk křemičitanů byla použita následující metoda exfoliace v kapalné fázi: 40 mg nanodesky oxidu křemičitého (SN) bylo rozptýleno ve 40 ml absolutního ethanolu. Následně byla směs ultrazvukem po dobu 2 hodin pomocí Hielscher Ultrazvuková Processor UP200St, vybavené 7 mm sonotrodou. Amplituda ultrazvukové vlny byla udržována konstantní na 70%. Byla aplikována ledová lázeň, aby se zabránilo přehřátí. Neexfoliované SN byly odstraněny centrifugací při 1000 ot /min po dobu 10 minut. Nakonec byl výrobek dekantován a přes noc vysušen při pokojové teplotě ve vakuu. (srov. Guo et al., 2022)

Vysoce výkonné ultrazvukové sondy a reaktory pro exfoliaci nanodesků Xenes

Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrábí a distribuuje robustní a spolehlivé ultrasonicators v 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 naši dobře vyškolení pracovníci doporučí nejvhodnější nastavení pro vaše požadavky. Hielscher průmyslové ultrazvukové procesory jsou známé jako spolehlivé pracovní koně v průmyslových zařízeních. Schopné dodávat velmi vysoké amplitudy, Hielscher ultrasonicators jsou ideální pro vysoce výkonné aplikace, jako je syntéza xenů a dalších 2D monovrstvých nanomateriálů, jako je borofen, fosforen nebo grafen, stejně jako spolehlivá disperze těchto nanostruktur.
Mimořádně silný ultrazvuk: Hielscher Ultrazvuk’ průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v nepřetržitém provozu. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.
Nejvyšší kvalita – Navrženo a vyrobeno v Německu: Všechna zařízení jsou navržena a vyrobena v naší centrále v Německu. Před dodáním zákazníkovi je každé ultrazvukové zařízení pečlivě testováno při plném zatížení. Usilujeme o spokojenost zákazníků a naše výroba je strukturována tak, aby splňovala nejvyšší záruku kvality (např. certifikace ISO).

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators: