Ultralydseksfoliering af Xener

Xener er 2D monoelementære nanomaterialer med ekstraordinære egenskaber såsom meget højt overfladeareal, anisotrope fysiske/kemiske egenskaber, herunder overlegen elektrisk ledningsevne eller trækstyrke. Ultralydseksfoliering eller delaminering er en effektiv og pålidelig teknik til fremstilling af enkeltlags 2D-nanoark fra lagdelte forløbermaterialer. Ultralydseksfoliering er allerede etableret til produktion af højkvalitets xenes nanoplader i industriel skala.

Xener – Monolag nanostrukturer

Xener er monolag (2D), monoelementære nanomaterialer, som har en grafenlignende struktur, kovalent binding inden for laget og svage van der Waals-kræfter mellem lagene. Eksempler på materialer, der er en del af xenerklassen, er borophen, silicen, germanen, stanen, phosphoren (sort fosfor), arsenen, bismuthen og telluren og antimonen. På grund af deres enkeltlags 2D-struktur er xenes nanomaterialer karakteriseret af en meget stor overflade samt forbedrede kemiske og fysiske reaktiviteter. Disse strukturelle egenskaber giver xener nanomaterialer imponerende fotoniske, katalytiske, magnetiske og elektroniske egenskaber og gør disse nanostrukturer meget interessante for adskillige industrielle applikationer. Billedet til venstre viser SEM-billeder af ultralydseksfolieret borophen.

Produktion af Xenes nanomaterialer ved hjælp af ultralydsdelaminering

Flydende eksfoliering af lagdelte nanomaterialer: Enkeltlags 2D nanoark er fremstillet af uorganiske materialer med lagdelte strukturer (f.eks. grafit), der består af løst stablede værtslag, der viser lag-til-lag galleriudvidelse eller hævelse ved interkalering af visse ioner og/eller opløsningsmidler. Eksfoliering, hvor den lagdelte fase spaltes til nanoark, ledsager typisk hævelsen på grund af de hurtigt svækkede elektrostatiske tiltrækninger mellem lagene, som producerer kolloide dispersioner af de enkelte 2D-lag eller ark. (jf. Geng et al., 2013) Generelt er det kendt, at hævelse letter eksfoliering gennem ultralydbehandling og resulterer i negativt ladede nanoark. Kemisk forbehandling letter også eksfoliering ved hjælp af sonikering i opløsningsmidler. For eksempel tillader funktionalisering eksfoliering af lagdelte dobbelthydroxider (LDH'er) i alkoholer. (jf. Nicolosi et al., 2013)
Til ultralydseksfoliering / delaminering udsættes det lagdelte materiale for kraftige ultralydsbølger i et opløsningsmiddel. Når energitætte ultralydsbølger kobles til en væske eller opslæmning, opstår akustisk aka ultralydskavitation. Ultralydkavitation er kendetegnet ved sammenbrud af vakuumbobler. Ultralydsbølgerne bevæger sig gennem væsken og genererer skiftevis lavtryks- / højtrykscyklusser. De små vakuumbobler opstår under en lavtrykscyklus (sjældenhed) og vokser over forskellige lavtryks- / højtrykscyklusser. Når en kavitationsboble når det punkt, hvor den ikke kan absorbere yderligere energi, imploderer boblen voldsomt og skaber lokalt meget energitætte forhold. Et kavitationelt hot-spot bestemmes af meget høje tryk og temperaturer, respektive tryk og temperaturforskelle, højhastigheds væskestråler og forskydningskræfter. Disse sonomekaniske og sonokemiske kræfter skubber opløsningsmidlet mellem de stablede lag og nedbryder lagdelte partikler og krystallinske strukturer og producerer derved eksfolierede nanoark. Billedsekvensen nedenfor demonstrerer eksfolieringsprocessen ved ultralydskavitation.

En højhastighedssekvens (fra a til f) af billeder, der illustrerer sonomekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200S, en 200W ultralydsapparat med 3 mm sonotrode. Pile viser stedet for opdeling (eksfoliering) med kavitationsbobler, der trænger ind i splittelsen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modellering har vist, at hvis opløsningsmidlets overfladeenergi svarer til det lagdelte materiales, vil energiforskellen mellem de eksfolierede og reaggregerede tilstande være meget lille, hvilket fjerner drivkraften til re-aggregering. Sammenlignet med alternative omrørings- og klippemetoder gav ultralydsomrørere en mere effektiv energikilde til eksfoliering, hvilket førte til demonstration af ioninterkaleringsassisteret eksfoliering af TaS₂, NBS₂og MoS₂samt lagdelte oxider. (jf. Nicolosi et al., 2013)

TEM-billeder af ultralyd flydende eksfolierede nanoark: (A) Et grafen nanoark eksfolieret ved hjælp af sonikering i opløsningsmidlet N-methyl-pyrrolidon. (B) Et h-BN nanoark eksfolieret ved hjælp af sonikering i opløsningsmidlet isopropanol. (C) Et MoS2 nanoark eksfolieret ved hjælp af sonikering i en vandig overfladeaktiv opløsning.
(Studie og billeder: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultralyd væske-eksfoliering protokoller

Ultralydseksfoliering og delaminering af xener og andre monolags nanomaterialer er blevet grundigt undersøgt i forskning og blev med succes overført til industrielt produktionsstadium. Nedenfor præsenterer vi dig udvalgte eksfolieringsprotokoller ved hjælp af sonikering.

Ultralydseksfoliering af fosforen Nanoflakes

Phosphoren (også kendt som sort fosfor, BP) er et 2D-lagdelt, monoelementært materiale dannet af fosforatomer.
I forskningen af Passaglia et al. (2018) er fremstillingen af stabile suspensioner af phosphorene - methylmethacrylat ved sonikeringsassisteret væskefaseeksfoliering (LPE) af bP i nærvær af MMA efterfulgt af radikal polymerisation påvist. Methylmethacrylat (MMA) er en flydende monomer.

Protokol til ultralydsvæskeeksfoliering af fosforen

MMA_bPn, NVP_bPn og Sty_bPn suspensioner blev opnået af LPE i nærværelse af den eneste monomer. I en typisk procedure blev ∼5 mg bP, omhyggeligt knust i en morter, lagt i et reagensglas, og derefter blev en vægtet mængde MMA, Sty eller NVP tilsat. Monomeren bP-suspensionen blev sonikeret i 90 minutter ved hjælp af en Hielscher Ultrasonics homogenisator UP200St (200W, 26kHz), udstyret med sonotrode S26d2 (spidsdiameter: 2 mm). Ultralydsamplituden blev holdt konstant på 50% med P = 7 W. I alle tilfælde blev der brugt et isbad til forbedret varmeafledning. De sidste MMA_bPn, NVP_bPn og Sty_bPn suspensioner blev derefter indsat med N2 i 15 min. Alle suspensionerne blev analyseret af DLS, hvilket viste rH-værdier meget tæt på DMSO_bPn. For eksempel var den MMA_bPn suspension (med ca. 1% bP-indhold) karakteriseret ved rH = 512 ± 58 nm.
Mens andre videnskabelige undersøgelser af fosfor rapporterer sonikeringstid på flere timer ved hjælp af ultralydsrenser, opløsningsmidler med højt kogepunkt og lav effektivitet, demonstrerer forskerholdet af Passaglia en yderst effektiv ultralydseksfolieringsprotokol ved hjælp af en sonde-type ultralydsapparat (nemlig Hielscher ultralydsapparat model UP200St).

Ultralydseksfoliering af monolags nanoark

For at læse mere specifikke detaljer og eksfolieringsprotokoller for borophen- og rutheniumoxid-nanoark, følg venligst nedenstående links:
Borophen: For sonikeringsprotokoller og resultater af ultralydsborophen-eksfoliering, klik venligst her!
RuO2: For sonikeringsprotokoller og resultater af ultralyd rutheniumoxid nanosheet eksfoliering, klik venligst her!

Ultralydseksfoliering af fålags silica nanoark

Få-lags eksfolierede silica nanoark blev fremstillet af naturlig vermiculit (Verm) via ultralydseksfoliering. Til syntese af eksfolierede silica nanosheets blev følgende væskefase-eksfolieringsmetode anvendt: 40 mg silica nanosheets blev dispergeret i 40 ml absolut ethanol. Efterfølgende blev blandingen ultralydbehandlet i 2 timer ved hjælp af en Hielscher ultralydsprocessor UP200St, udstyret med en 7 mm sonotrode. Amplituden af ultralydsbølgen blev holdt konstant på 70%. Et isbad blev anvendt for at undgå overophedning. Ueksfolieret SN blev fjernet ved centrifugering ved 1000 rpm i 10 min. Til sidst blev produktet dekanteret og tørret ved stuetemperatur under vakuum natten over. (jf. Guo et al., 2022)

Ultralydssonder og reaktorer med høj effekt til eksfoliering af Xenes-nanoark

Hielscher Ultrasonics designer, fremstiller og distribuerer robuste og pålidelige ultralydapparater i enhver størrelse. Fra kompakte laboratorieultralydsenheder til industrielle ultralydssonder og reaktorer har Hielscher det ideelle ultralydssystem til din proces. Med lang erfaring inden for applikationer som nanomaterialesyntese og dispersion vil vores veluddannede personale anbefale dig den bedst egnede opsætning til dine behov. Hielscher industrielle ultralydsprocessorer er kendt som pålidelige arbejdsheste i industrielle faciliteter. Hielscher ultralydapparater er i stand til at levere meget høje amplituder og er ideelle til højtydende applikationer såsom syntese af xener og andre 2D monolayer nanomaterialer såsom borophen, phosphoren eller grafen samt en pålidelig spredning af disse nanostrukturer.
Ekstraordinær kraftfuld ultralyd: Hielscher Ultrasonics’ Industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige.
Højeste kvalitet – Designet og fremstillet i Tyskland: Alt udstyr er designet og produceret i vores hovedkvarter i Tyskland. Før levering til kunden testes hver ultralydsenhed omhyggeligt under fuld belastning. Vi stræber efter kundetilfredshed, og vores produktion er struktureret til at opfylde højeste kvalitetssikring (f.eks. ISO-certificering).

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: