Σύνθεση βοροφενίου με υπερήχους σε βιομηχανική κλίμακα

Το βοροφένιο, ένα δισδιάστατο νανοδομημένο παράγωγο του βορίου, μπορεί να συντεθεί αποτελεσματικά μέσω εύκολης και χαμηλού κόστους απολέπισης με υπερήχους. Η απολέπιση σε υγρή φάση με υπερήχους μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων νανοφύλλων βοροφενίου υψηλής ποιότητας. Η τεχνική απολέπισης με υπερήχους χρησιμοποιείται ευρέως για την παραγωγή 2D νανοϋλικών (π.χ. γραφενίου) και είναι ευρέως γνωστή για τα πλεονεκτήματά της: νανοφύλλα υψηλής ποιότητας, υψηλές αποδόσεις, γρήγορη και εύκολη λειτουργία, καθώς και συνολική αποδοτικότητα.

Μέθοδος απολέπισης με υπερήχους για την παρασκευή βοροφενίου

Η απολέπιση σε υγρή φάση με υπερήχους χρησιμοποιείται ευρέως για την παρασκευή 2D νανοφύλλων από διάφορα πρόδρομα υλικά σε συμπαγή μορφή, μεταξύ των οποίων ο γραφίτης (γραφένιο) και το βόριο (βοροφένιο). Σε σύγκριση με την τεχνική χημικής απολέπισης, η απολέπιση σε υγρή φάση με υποβοήθηση υπερήχων θεωρείται η πιο υποσχόμενη στρατηγική για την παρασκευή 0D και 2D νανοδομών, όπως οι κβαντικές τελείες βορίου (BQDs) και το βοροφένιο. (cf. Wang et al., 2021)
Το σχήμα στα αριστερά παρουσιάζει τη διεργασία απολέπισης σε υγρή φάση με υπερήχους σε χαμηλή θερμοκρασία για την παραγωγή 2D φύλλων βοροφενίου λίγων στρώσεων. (Μελέτη και εικόνα: ©Lin et al., 2021.)

Μελέτες περιπτώσεων απολέπισης βοροφενίου με υπερήχους

Η απολέπιση και η αποστρωμάτωση με χρήση υπερήχων ισχύος σε διεργασία υγρής φάσης έχουν μελετηθεί ευρέως και έχουν εφαρμοστεί επιτυχώς στο βοροφένιο και σε άλλα παράγωγα του βορίου, όπως οι κβαντικές τελείες βορίου, το νιτρίδιο του βορίου ή το διβορίδιο του μαγνησίου.

α-Βοροφένιο

Στη μελέτη των Göktuna και Taşaltın (2021), παρασκευάστηκε α βοροφένιο μέσω εύκολης και χαμηλού κόστους απολέπισης με υπερήχους. Τα νανοφύλλα βοροφενίου που συντέθηκαν με υπερήχους παρουσιάζουν κρυσταλλική δομή α βοροφενίου.
Πρωτόκολλο: 100 mg μικροσωματιδίων βορίου υποβλήθηκαν σε κατεργασία με υπερήχους σε 100 ml DMF στα 200 W (π.χ. με χρήση του UP200St με S26d14) για 4h σε θάλαμο αζώτου (N₂) με ελεγχόμενη ροή, για την αποτροπή της οξείδωσης κατά τη διεργασία απολέπισης σε υγρή φάση με υπερήχους. Το διάλυμα των απολεπισμένων σωματιδίων βορίου φυγοκεντρήθηκε στις 5000 rpm και στις 12.000 rpm για 15 min αντίστοιχα, και στη συνέχεια το βοροφένιο συλλέχθηκε προσεκτικά και ξηράνθηκε υπό κενό για 4h στους 50ºC. (cf. Göktuna and Taşaltın, 2021)

Σχηματική απεικόνιση βοροφενίου λίγων στρώσεων που απολεπίστηκε μέσω διεργασίας διαλυτοθερμικής κατεργασίας με υποβοήθηση υπερήχων μέσω ηχοτροδίου.
Μελέτη και εικόνα: ©Zhang et al., 2020

Βοροφένιο λίγων στρώσεων

Οι Zhang et al. (2020) αναφέρουν μια τεχνική απολέπισης σε υγρή φάση με διαλυτοθερμική κατεργασία σε ακετόνη, η οποία επιτρέπει την παραγωγή βοροφενίου υψηλής ποιότητας με μεγάλη οριζόντια διάσταση. Αξιοποιώντας τη διογκωτική δράση της ακετόνης, το πρόδρομο υλικό σκόνης βορίου διαβράχηκε αρχικά με ακετόνη. Στη συνέχεια, το διαβρεγμένο πρόδρομο υλικό βορίου υποβλήθηκε σε περαιτέρω διαλυτοθερμική κατεργασία σε ακετόνη στους 200ºC, ακολουθούμενη από κατεργασία με υπερήχους με συσκευή τύπου καθετήρα στα 225 W για 4h. Τελικά ελήφθη βοροφένιο με λίγες στρώσεις βορίου και οριζόντια διάσταση έως 5,05 mm. Η τεχνική απολέπισης σε υγρή φάση με υποβοήθηση διαλυτοθερμικής κατεργασίας σε ακετόνη μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή νανοφύλλων βορίου με μεγάλες οριζόντιες διαστάσεις και υψηλή ποιότητα. (cf. Zhang et al., 2020)
Όταν το διάγραμμα XRD του βοροφενίου που απολεπίστηκε με υπερήχους συγκρίνεται με εκείνο του πρόδρομου βορίου σε συμπαγή μορφή, μπορεί να παρατηρηθεί παρόμοιο διάγραμμα XRD. Στις περισσότερες από τις κύριες κορυφές περίθλασης μπορούν να αποδοθούν δείκτες που αντιστοιχούν στο b-ρομβοεδρικό βόριο, γεγονός που υποδηλώνει ότι η κρυσταλλική δομή διατηρείται σχεδόν αμετάβλητη πριν και μετά την κατεργασία απολέπισης.

Εικόνες SEM χαμηλής ανάλυσης (a) και υψηλής ανάλυσης (b) βοροφενίου λίγων στρώσεων που ελήφθη με διαλυτοθερμική απολέπιση σε ακετόνη με υποβοήθηση υπερήχων
Μελέτη και εικόνα: ©Zhang et al., 2020

Διαγράμματα XRD (a) και φάσματα Raman (b) μη κατεργασμένου βορίου σε συμπαγή μορφή και βοροφενίου λίγων στρώσεων που ελήφθη με διαλυτοθερμική απολέπιση με υποβοήθηση υπερήχων μέσω ηχοτροδίου.
Μελέτη και εικόνα: ©Zhang et al., 2020

Ηχοχημική σύνθεση κβαντικών τελειών βορίου

Οι Hao et al. (2020) παρασκεύασαν επιτυχώς σε μεγάλη κλίμακα ομοιόμορφες κρυσταλλικές ημιαγώγιμες κβαντικές τελείες βορίου (BQDs) από διογκωμένη σκόνη βορίου σε ακετονιτρίλιο, έναν ισχυρά πολικό οργανικό διαλύτη, χρησιμοποιώντας μια ισχυρή συσκευή υπερήχων τύπου καθετήρα (π.χ., UP400St, UIP500hdT ή UIP1000hdT). Οι κβαντικές τελείες βορίου που συντέθηκαν είχαν πλευρική διάσταση 2,46 ±0,4 nm και πάχος 2,81 ±0,5 nm.
Πρωτόκολλο: Σε μια τυπική παρασκευή κβαντικών τελειών βορίου, προστέθηκαν πρώτα 30 mg σκόνης βορίου σε τρίλαιμη φιάλη και στη συνέχεια προστέθηκαν στη φιάλη 15 mL ακετονιτριλίου πριν από τη διαδικασία κατεργασίας με υπερήχους. Η απολέπιση πραγματοποιήθηκε με ισχύ εξόδου 400 W (π.χ., χρησιμοποιώντας τη συσκευή UIP500hdT), με συχνότητα 20kHz και διάρκεια κατεργασίας με υπερήχους 60 min. Για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση του διαλύματος κατά την κατεργασία με υπερήχους, εφαρμόστηκε ψύξη με παγόλουτρο ή εργαστηριακό ψύκτη για τη διατήρηση σταθερής θερμοκρασίας. Το προκύπτον διάλυμα φυγοκεντρήθηκε στις 1500 rpm για 60 min. Το υπερκείμενο υγρό που περιείχε κβαντικές τελείες βορίου συλλέχθηκε προσεκτικά. Όλα τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε θερμοκρασία δωματίου. (πρβλ. Hao et al., 2020)
Στη μελέτη των Wang et al. (2021), οι ερευνητές παρασκεύασαν επίσης κβαντικές τελείες βορίου χρησιμοποιώντας την τεχνική απολέπισης σε υγρή φάση με υπερήχους. Έλαβαν μονοδιασπαρμένες κβαντικές τελείες βορίου με στενή κατανομή μεγέθους, εξαιρετική ικανότητα διασποράς, υψηλή σταθερότητα σε διάλυμα IPA και φθορισμό «two-photo».

Εικόνες TEM και η αντίστοιχη κατανομή διαμέτρου των BQDs που παρασκευάστηκαν υπό διαφορετικές συνθήκες κατεργασίας με υπερήχους. (a) Εικόνα TEM των BQDs-2 που συντέθηκαν στα 400 W για 2 h. (b) Εικόνα TEM των BQDs-3 που συντέθηκαν στα 550 W για 1 h. (c) Εικόνα TEM των BQDs-3 που συντέθηκαν στα 400 W για 4 h. (d) Κατανομή διαμέτρου των κβαντικών τελειών που προέκυψε από την εικόνα (a). (e) Κατανομή διαμέτρου των κβαντικών τελειών που προέκυψε από την εικόνα (b). (f) Κατανομή διαμέτρου των κβαντικών τελειών που προέκυψε από την εικόνα (c).
Μελέτη και εικόνα: ©Hao et al., 2020

Απολέπιση νανοφύλλων διβοριδίου του μαγνησίου με υπερήχους

Η διαδικασία απολέπισης πραγματοποιήθηκε με την παρασκευή αιωρήματος 450mg διβοριδίου του μαγνησίου
(MgB₂) σε μορφή σκόνης (με μέγεθος περίπου 100 mesh / 149 μικρόμετρα) σε 150 ml νερού και την υποβολή του σε κατεργασία με υπερήχους για 30 λεπτά. Η απολέπιση με υπερήχους μπορεί να πραγματοποιηθεί με μια συσκευή υπερήχων τύπου καθετήρα, όπως η UP200Ht ή η UP400St με πλάτος ταλάντωσης 30% και κυκλική λειτουργία με παλμούς ενεργοποίησης/απενεργοποίησης 10sec. Η απολέπιση με υπερήχους παράγει ένα σκούρο μαύρο αιώρημα. Το μαύρο χρώμα μπορεί να αποδοθεί στο χρώμα της αρχικής σκόνης MgB2.

Μια ακολουθία καρέ υψηλής ταχύτητας (από a έως f) που απεικονίζει την ηχομηχανική απολέπιση μιας νιφάδας γραφίτη σε νερό χρησιμοποιώντας το UP200S, μια συσκευή υπερήχων 200W με ηχοτρόδιο 3mm. Τα βέλη δείχνουν το σημείο διαχωρισμού (απολέπισης), με φυσαλίδες σπηλαίωσης να διεισδύουν στη σχισμή.
© Tyurnina et al. 2020

Ισχυρές συσκευές υπερήχων για απολέπιση βοροφενίου σε οποιαδήποτε κλίμακα

Η Hielscher Ultrasonics σχεδιάζει, κατασκευάζει και διανέμει ανθεκτικές και αξιόπιστες συσκευές υπερήχων κάθε μεγέθους. Από συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές υπερήχων έως βιομηχανικούς καθετήρες υπερήχων και αντιδραστήρες, η Hielscher διαθέτει το ιδανικό σύστημα υπερήχων για τη διεργασία σας. Με πολυετή εμπειρία σε εφαρμογές όπως η σύνθεση και η διασπορά νανοϋλικών, το άρτια εκπαιδευμένο προσωπικό μας θα σας προτείνει την καταλληλότερη διάταξη για τις απαιτήσεις σας. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher είναι γνωστοί ως αξιόπιστα μηχανήματα αδιάλειπτης εργασίας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Με δυνατότητα παροχής πολύ υψηλών πλατών ταλάντωσης, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι ιδανικές για εφαρμογές υψηλής απόδοσης, όπως η απολέπιση βοροφενίου ή γραφενίου, καθώς και η διασπορά νανοϋλικών. Η συνεχής λειτουργία 24/7 με πλάτη ταλάντωσης έως και 200µm είναι εύκολα εφικτή. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ειδικά προσαρμοσμένα ηχοτρόδια υπερήχων.
Όλος ο εξοπλισμός σχεδιάζεται και κατασκευάζεται στην έδρα μας στη Γερμανία. Πριν από την παράδοση στον πελάτη, κάθε συσκευή υπερήχων δοκιμάζεται προσεκτικά υπό πλήρες φορτίο. Επιδιώκουμε την ικανοποίηση των πελατών και η παραγωγή μας είναι οργανωμένη ώστε να πληροί τις υψηλότερες απαιτήσεις διασφάλισης ποιότητας (π.χ., πιστοποίηση ISO).

Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση δυναμικότητας επεξεργασίας των συσκευών υπερήχων μας: