Ultrazvuková exfoliace xenů
Xeny jsou 2D monoelementární nanomateriály s mimořádnými vlastnostmi, jako je velmi vysoký povrch, 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 nanovrstev z vrstvených prekurzorových materiálů. Ultrazvuková exfoliace je již zavedena pro výrobu vysoce kvalitních xenových nanovrstev v průmyslovém měřítku.
xenes – Jednovrstvé nanostruktury
Xeny jsou jednovrstvé (2D) monoelementární nanomateriály, které se vyznačují strukturou podobnou grafenu, kovalentní vazbou uvnitř vrstvy a slabými van der Waalsovými silami mezi vrstvami. Příklady materiálů, které jsou součástí třídy xenů, jsou borofen, silikén, germanen, stanen, fosforen (černý fosfor), arsen, vizmuten a teluren a antimonen. Díky své jednovrstvé 2D struktuře jsou xenové nanomateriály charakterizovány velmi velkým povrchem a zlepšenou chemickou a fyzikální reaktivitou. Tyto strukturní vlastnosti dávají xenovým nanomateriálům působivé fotonické, katalytické, magnetické a elektronické vlastnosti a činí tyto nanostruktury velmi zajímavými pro řadu průmyslových aplikací. Na obrázku vlevo jsou SEM snímky ultrazvukem exfoliovaného borofenu.
Výroba xenových nanomateriálů pomocí ultrazvukové delaminace
Tekutá exfoliace vrstvených nanomateriálů: Jednovrstvé 2D nanovrstvy se vyrábějí z anorganických materiálů s vrstevnatou strukturou (např. grafit), které se skládají z volně naskládaných hostitelských vrstev, které vykazují expanzi galerie mezi vrstvami nebo bobtnání při interkalaci určitých iontů a/nebo rozpouštědel. Exfoliace, při které se vrstvená fáze štěpí na nanovrstvy, obvykle doprovází bobtnání v důsledku rychle slábnoucí elektrostatické přitažlivosti mezi vrstvami, která produkuje koloidní disperze jednotlivých 2D vrstev nebo vrstev. (srov. Geng a kol., 2013) Obecně je známo, že otoky usnadňují exfoliaci ultrazvukem a vedou k záporně nabitým nanovrstvám. Chemická předúprava také usnadňuje exfoliaci pomocí sonikace v rozpouštědlech. Funkcionalizace například umožňuje exfoliaci vrstevnatých podvojných hydroxidů (LDH) v alkoholech. (srov. Nicolosi et al., 2013)
Při ultrazvukové exfoliaci / delaminaci je vrstvený materiál vystaven silným ultrazvukovým vlnám v rozpouštědle. Když jsou energeticky husté ultrazvukové vlny spojeny do kapaliny nebo suspenze, dochází k akustické alias ultrazvukové kavitaci. Ultrazvuková kavitace je charakterizována zhroucením vakuových bublin. Ultrazvukové vlny se šíří kapalinou a vytvářejí střídavé cykly nízkého tlaku / vysokého tlaku. Drobné vakuové bubliny vznikají během nízkotlakého (zředění) 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 velmi husté podmínky. Kavitační horké místo je určeno velmi vysokými tlaky a teplotou, příslušnými tlaky a teplotními rozdíly, vysokorychlostními kapalinovými tryskami a smykovými silami. Tyto sonomechanické a sonochemické síly tlačí rozpouštědlo mezi naskládané vrstvy a rozbíjejí vrstvené částicové a krystalické struktury, čímž vytvářejí exfoliované nanovrstvy. Níže uvedená sekvence obrázků demonstruje proces exfoliace ultrazvukovou kavitací.
Modelování ukázalo, že pokud je povrchová energie rozpouštědla podobná povrchové energii vrstveného materiálu, energetický rozdíl mezi exfoliovaným a reagregovaným stavem bude velmi malý, čímž se odstraní hnací síla pro reagregaci. Ve srovnání s alternativními metodami míchání a stříhání poskytovala ultrazvuková míchadla účinnější zdroj energie pro exfoliaci, což vedlo k demonstraci exfoliace TaS s pomocí iontové interkalace2, NbS2a MoS2, stejně jako vrstvené oxidy. (srov. Nicolosi et al., 2013)
Ultrazvukové protokoly pro kapalinovou exfoliaci
Ultrazvuková exfoliace a delaminace xenů a dalších jednovrstvých nanomateriálů byla rozsáhle studována ve výzkumu a byla úspěšně převedena do fáze průmyslové výroby. Níže vám představujeme vybrané exfoliační protokoly pomocí ultrazvuku.
Ultrazvuková exfoliace nanovloček fosforu
Fosforen (také známý jako černý fosfor, BP) je 2D vrstvený monoelementární materiál vytvořený z atomů fosforu.
Ve výzkumu Passaglia et al. (2018) je prokázána příprava stabilních suspenzí fosforenu − methylmethakrylátu sonikací asistovanou exfoliací v kapalné fázi (LPE) bP v přítomnosti MMA s následnou radikálovou polymerací. Methylmethakrylát (MMA) je kapalný monomer.
Protokol pro ultrazvukovou kapalinovou exfoliaci fosforenu
MMA_bPn, NVP_bPn a Sty_bPn suspenze byly získány LPE v přítomnosti jediného monomeru. Při typickém postupu se do zkumavky vložilo ∼5 mg bP, pečlivě rozdrcené v hmoždíři, a poté se přidalo vážené množství MMA, Sty nebo NVP. Monomerní suspenze bP byla sonikována po dobu 90 minut pomocí homogenizátoru Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), vybaveného sonotrodou S26d2 (průměr hrotu: 2 mm). Ultrazvuková amplituda byla udržována konstantní na 50 % s P = 7 W. Ve všech případech byla použita ledová lázeň pro lepší odvod tepla. Závěrečné MMA_bPn, NVP_bPn a Sty_bPn suspenze byly poté na 15 minut infufovány N2. Všechny suspenze byly analyzovány pomocí DLS a ukázaly hodnoty rH velmi blízké hodnotám DMSO_bPn. Například MMA_bPn suspenze (mající asi 1 % obsahu bP) byla charakterizována rH = 512 ± 58 nm.
Zatímco jiné vědecké studie o fosforenu uvádějí dobu sonikace několik hodin pomocí ultrazvukového čističe, rozpouštědel s vysokým bodem varu a nízkou účinností, výzkumný tým Passaglia demonstruje vysoce účinný ultrazvukový exfoliační protokol pomocí ultrazvuku typu sondy (jmenovitě Hielscher ultrasonicator model UP200St).
Ultrazvuková exfoliace jednovrstvých nanovrstev
Chcete-li si přečíst konkrétnější podrobnosti a exfoliační protokoly pro nanovrstvy borofenu a oxidu ruthenitého, postupujte podle níže uvedených odkazů:
Borofen: Pro sonikační protokoly a výsledky ultrazvukové exfoliace borofenu, prosím klikněte zde!
RuO2: Pro sonikační protokoly a výsledky ultrazvukové exfoliace nanolistů oxidu ruthenitého, prosím klikněte zde!
Ultrazvuková exfoliace několikavrstvých křemičitých nanovrstev
Z přírodního vermikulitu (Verm) byly připraveny několikavrstvé exfoliované nanovrstvy oxidu křemičitého pomocí ultrazvukové exfoliace. Pro syntézu exfoliovaných nanovrstev oxidu křemičitého byla použita následující metoda exfoliace v kapalné fázi: 40 mg nanočástic oxidu křemičitého byly dispergovány ve 40 ml absolutního ethanolu. Následně byla směs ultrazvukově štěpena po dobu 2 hodin pomocí ultrazvukového procesoru Hielscher UP200St, vybaveného sonotrodou 7 mm. Amplituda ultrazvukové vlny byla udržována konstantní na 70 %. Aby nedošlo k přehřátí, byla aplikována ledová lázeň. Neexfoliované SN byly odstraněny centrifugací při 1000 otáčkách za minutu po dobu 10 minut. Nakonec byl produkt dekantován a sušen při pokojové teplotě ve vakuu přes noc. (srov. Guo et al., 2022)
Vysoce výkonné ultrazvukové sondy a reaktory pro exfoliaci xenových nanovrstev
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 syntéza xenů a dalších 2D jednovrstvých nanomateriálů, jako je borofen, fosforen nebo grafen, stejně jako spolehlivá disperze těchto nanostruktur.
Mimořádně výkonný ultrazvuk: Hielscher Ultrasonics’ Průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.
Nejvyšší kvalita – Navrženo a vyrobeno v Německu: 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).
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!
Literatura / Reference
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Passaglia, Elisa; Cicogna, Francesca; Costantino, Federica; Coiai, Serena; Legnaioli, Stefano; Lorenzetti, G.; Borsacchi, Silvia; Geppi, Marco; Telesio, Francesca; Heun, Stefan; Ienco, Andrea; Serrano-Ruiz, Manuel; Peruzzini, Maurizio (2018): Polymer-Based Black Phosphorus (bP) Hybrid Materials by in Situ Radical Polymerization: An Effective Tool To Exfoliate bP and Stabilize bP Nanoflakes. Chemistry of Materials 2018.
- Zunmin Guo, Jianuo Chen, Jae Jong Byun, Rongsheng Cai, Maria Perez-Page, Madhumita Sahoo, Zhaoqi Ji, Sarah J. Haigh, Stuart M. Holmes (2022): High-performance polymer electrolyte membranes incorporated with 2D silica nanosheets in high-temperature proton exchange membrane fuel cells. Journal of Energy Chemistry, Volume 64, 2022. 323-334.
- Sukpirom, Nipaka; Lerner, Michael (2002): Rapid exfoliation of a layered titanate by ultrasonic processing. Materials Science and Engineering A-structural Materials Properties Microstructure and Processing 333, 2002. 218-222.
- Nicolosi, Valeria; Chhowalla, Manish; Kanatzidis, Mercouri; Strano, Michael; Coleman, Jonathan (2013): Liquid Exfoliation of Layered Materials. Science 340, 2013.
Fakta, která stojí za to vědět
Fosforen
Fosforen (také nanovrstvy / nanovločky černého fosforu) vykazují vysokou mobilitu 1000 cm2 V–1 s–1 pro vzorek o tloušťce 5 nm s vysokým poměrem ON/OFF vysokého proudu 105. Jako polovodič typu p má fosforen přímý zakázaný pás 0,3 eV. Kromě toho má fosforen přímý zakázaný pás, který se pro monovrstvu zvyšuje až na přibližně 2 eV. Tyto materiálové vlastnosti činí z nanovrstev černého fosforu slibný materiál pro průmyslové aplikace v nanoelektronických a nanofotonických zařízeních, které pokrývají celý rozsah viditelného spektra. (srov. Passaglia et al., 2018) Další potenciální aplikace spočívá v biomedicínských aplikacích, protože relativně nízká toxicita činí využití černého fosforu vysoce atraktivním.
Ve třídě dvourozměrných materiálů je fosforen často umístěn vedle grafenu, protože na rozdíl od grafenu má fosforen nenulový základní zakázaný pás, který může být dále modulován napětím a počtem vrstev ve stohu.
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.
Přečtěte si více o ultrazvukové syntéze a disperzi borofenu!