Υπερήχων Borophene σύνθεση σε βιομηχανική κλίμακα
Το Borophene, ένα δισδιάστατο νανοδομημένο παράγωγο του βορίου, μπορεί να συντεθεί αποτελεσματικά μέσω μιας εύκολης και χαμηλού κόστους υπερηχητικής απολέπισης. Υπερήχων υγρής φάσης απολέπιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων υψηλής ποιότητας νανοφύλλων βοροφαίνιο. Η τεχνική απολέπισης υπερήχων χρησιμοποιείται ευρέως για την παραγωγή 2D νανοϋλικών (π.χ. γραφένιο) και είναι γνωστή για τα πλεονεκτήματά της από νανοφύλλα υψηλής ποιότητας, υψηλές αποδόσεις, ταχεία και εύκολη λειτουργία, καθώς και συνολική απόδοση.
Μέθοδος απολέπισης με υπερήχους για την προετοιμασία Borophene
Υπερήχων οδηγείται υγρής φάσης απολέπιση χρησιμοποιείται ευρέως για την προετοιμασία 2D νανοφύλλα από διάφορες πρόδρομες ουσίες χύδην, συμπεριλαμβανομένου γραφίτη (γραφένιο), βόριο (borophene) μεταξύ άλλων. Σε σύγκριση με την τεχνική χημικής απολέπισης, η υπερηχητικά υποβοηθούμενη απολέπιση υγρής φάσης θεωρείται ως η πιο ελπιδοφόρα στρατηγική για την προετοιμασία νανοδομών 0D και 2D, όπως κβαντικές κουκίδες βορίου (BQD) και βοροφαίνιο. (πρβλ. Wang et al., 2021)
Το σχήμα αριστερά δείχνει την υπερηχητική διαδικασία απολέπισης υγρού χαμηλής θερμοκρασίας των φύλλων βοροφαίνιου 2D λίγων στρωμάτων. (Μελέτη και εικόνα: ©Lin et al., 2021.)
Ηχοχημικός αντιδραστήρας εξοπλισμένος με 2000 watts βιομηχανικός υπερηχητικός επεξεργαστής UIP2000hdT Για μεγάλης κλίμακας απολέπιση βοροφαίνιο.
Μελέτες περιπτώσεων υπερήχων Borophene απολέπιση
Η απολέπιση και η αποκόλληση χρησιμοποιώντας υπερήχους ισχύος σε μια διαδικασία υγρής φάσης έχει μελετηθεί ευρέως και εφαρμοστεί με επιτυχία στο βοροφαίνιο και σε άλλα παράγωγα του βορίου όπως κβαντικές κουκίδες βορίου, νιτρίδιο του βορίου ή διβορίδιο του μαγνησίου.
α-βοροφαίνιο
Στη μελέτη που πραγματοποίησαν οι Göktuna και Taşaltın (2021), α βοροφαίνιο παρασκευάστηκε μέσω μιας εύκολης και χαμηλού κόστους υπερηχητικής απολέπισης. Τα υπερηχητικά συντιθέμενα νανοφύλλα βοροφαίνιο παρουσιάζουν μια α κρυσταλλική δομή βοροφαίνιο.
Πρωτόκολλο: 100 mg μικροσωματίδια βορίου υποβλήθηκαν σε υπερήχους σε 100 ml DMF στα 200 W (π.χ. χρησιμοποιώντας το UP200St με S26d14) για 4 ώρες σε άζωτο (N2) καμπίνα ελεγχόμενης ροής για την πρόληψη της οξείδωσης κατά τη διάρκεια της διαδικασίας απολέπισης υγρής φάσης υπερήχων. Το διάλυμα των απολεπισμένων σωματιδίων βορίου φυγοκεντρήθηκε στις 5000 σ.α.λ. και 12.000 σ.α.λ. για 15 λεπτά αντίστοιχα, στη συνέχεια το βοροφαίνιο συλλέχθηκε προσεκτικά και ξηράνθηκε σε περιβάλλον κενού για 4 ώρες στους 50ºC. (πρβλ. Göktuna και Taşaltın, 2021)
Σχηματική απεικόνιση του βοροφαίνιου με λίγα στρώματα απολέπισης από τη διαδικασία υπερηχητικής υποβοηθούμενης solvothermal επεξεργασίας του καθετήρα.
Μελέτη και εικόνα: ©Zhang et al., 2020
Βοροφαίνιο λίγων στρωμάτων
Οι Zhang et al. (2020) αναφέρουν μια τεχνική απολέπισης ισοθερμικής υγρής φάσης ακετόνης, η οποία επιτρέπει την παραγωγή υψηλής ποιότητας βοροφαίνιο με μεγάλο οριζόντιο μέγεθος. Χρησιμοποιώντας την επίδραση διόγκωσης της ακετόνης, ο πρόδρομος της σκόνης βορίου διαβρέχτηκε πρώτα σε ακετόνη. Στη συνέχεια, ο βρεγμένος πρόδρομος του βορίου υποβλήθηκε σε περαιτέρω solvothermally επεξεργασία σε ακετόνη στους 200ºC, ακολουθούμενη από υπερήχους με υπερήχων τύπου καθετήρα στους 225 W για 4 ώρες. Τελικά αποκτήθηκε βοροφαίνιο με λίγα στρώματα βορίου και οριζόντιο μέγεθος έως 5,05 mm. Η τεχνική απολέπισης υγρής φάσης με τη βοήθεια ακετόνης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή νανοφύλλων βορίου με μεγάλα οριζόντια μεγέθη και υψηλής ποιότητας. (πρβλ. Zhang et al., 2020)
Όταν το πρότυπο XRD του υπερηχητικά απολεπισμένου βοροφαίνιου συγκρίνεται με τον πρόδρομο του βορίου χύδην, μπορεί να παρατηρηθεί ένα παρόμοιο μοτίβο XRD. Οι περισσότερες από τις κύριες κορυφές περίθλασης μπορούν να αναδειχθούν στο β-ρομβοεδρικό βόριο, γεγονός που υποδηλώνει ότι η κρυσταλλική δομή διατηρείται σχεδόν πριν και μετά τη θεραπεία απολέπισης.
Εικόνες SEM με χαμηλή ανάλυση (α) και υψηλή ανάλυση (β) βοροφαίνιου με λίγα στρώματα που λαμβάνονται με υπερηχητικά υποβοηθούμενη σολβοθερμική απολέπιση σε ακετόνη
Μελέτη και εικόνα: ©Zhang et al., 2020
Μοτίβα XRD (α) και φάσματα Raman (β) μη επεξεργασμένου χύδην βορίου και βοροφαίνιου με λίγα στρώματα που λαμβάνονται με καθετήρα υπερήχων υποβοηθούμενη από σολβοθερμική απολέπιση.
Μελέτη και εικόνα: ©Zhang et al., 2020
Ηχοχημική σύνθεση κβαντικών κουκίδων βορίου
Οι Hao et al. (2020) προετοίμασαν με επιτυχία μεγάλης κλίμακας και ομοιόμορφες κβαντικές κουκίδες βορίου κρυσταλλικού ημιαγωγού (BQD) από διογκωμένη σκόνη βορίου σε ακετονιτρίλιο, έναν εξαιρετικά πολικό οργανικό διαλύτη, χρησιμοποιώντας έναν ισχυρό υπερηχητικό τύπο ανιχνευτή (π.χ., UP400St, UIP500hdT ή UIP1000hdT). Οι συνθετικές κβαντικές κουκίδες βορίου με 2,46 ±0,4 nm σε πλευρικό μέγεθος και 2,81 ±0,5 nm σε πάχος.
Πρωτόκολλο: Σε ένα τυπικό παρασκεύασμα κβαντικών κουκίδων βορίου, 30 mg σκόνης βορίου προστέθηκαν πρώτα σε μια φιάλη τριών λαιμών και στη συνέχεια 15 mL ακετονιτριλίου προστέθηκαν στη φιάλη πριν από τη διαδικασία υπερήχων. Η απολέπιση πραγματοποιήθηκε σε ισχύ εξόδου 400 W (π.χ. χρησιμοποιώντας το UIP500hdT), συχνότητα 20kHz και χρόνος υπερήχων 60 min. Για να αποφευχθεί η υπερθέρμανση του διαλύματος κατά τη διάρκεια υπερήχων, εφαρμόστηκε ψύξη χρησιμοποιώντας λουτρό πάγου ή εργαστηριακό ψυκτικό συγκρότημα για σταθερή θερμοκρασία. Το διάλυμα που προέκυψε φυγοκεντρήθηκε στις 1500 σ.α.λ. για 60 λεπτά. Το υπερκείμενο υγρό που περιείχε κβαντικές κουκίδες βορίου εξήχθη απαλά. Όλα τα πειράματα διεξήχθησαν σε θερμοκρασία δωματίου. (πρβλ. Hao et al., 2020)
Στη μελέτη των Wang et al. (2021), ο ερευνητής προετοιμάζει κβαντικές κουκίδες βορίου χρησιμοποιώντας επίσης την τεχνική απολέπισης υγρής φάσης υπερήχων. Έλαβαν μονοδιασπαρμένη κβαντική κουκκίδα βορίου με κατανομή στενού μεγέθους, εξαιρετική διασπορά, υψηλή σταθερότητα στο διάλυμα IPA και φθορισμό δύο φωτογραφιών.
Εικόνες TEM και η αντίστοιχη κατανομή διαμέτρου των BQD που παρασκευάζονται υπό διαφορετικές συνθήκες υπερήχων. α) εικόνα TEM των BQD-2 συντιθέμενη στα 400 W επί 2 ώρες. β) εικόνα TEM των BQD-3 συντιθέμενη στα 550 W επί 1 ώρα. γ) εικόνα TEM της BQD-3 συντεθειμένης στα 400 W επί 4 ώρες. δ) Κατανομή διαμέτρου των κβαντικών κουκκίδων που λαμβάνονται από το στοιχείο α). (ε) Κατανομή διαμέτρου των κβαντικών κουκκίδων που αποκτήθηκαν από το (β). (στ) Κατανομή διαμέτρου των κβαντικών κουκκίδων που αποκτούν από το (γ).
Μελέτη και εικόνα: ©Hao et al., 2020
Υπερήχων απολέπιση νανοφύλλων Diboride μαγνησίου
Η διαδικασία απολέπισης πραγματοποιήθηκε με εναιώρημα 450mg διβοριδίου μαγνησίου
(MgB2) σκόνη (περίπου 100 μέγεθος ματιών / 149 μικρά) σε 150 ml νερού και εκθέτοντάς την σε υπερήχους για 30 λεπτά. Η υπερηχητική απολέπιση μπορεί να πραγματοποιηθεί με έναν υπερηχητικό τύπο καθετήρα όπως το UP200Ht ή UP400St με πλάτος 30% και λειτουργία κύκλου παλμών ενεργοποίησης/απενεργοποίησης 10 δευτερολέπτων. Η υπερηχητική απολέπιση έχει ως αποτέλεσμα ένα σκούρο μαύρο εναιώρημα. Το μαύρο χρώμα μπορεί να αποδοθεί στο χρώμα της παρθένας σκόνης MgB2.
Μια ακολουθία υψηλής ταχύτητας (από το a έως το f) πλαισίων που απεικονίζουν τη sono-μηχανική απολέπιση μιας νιφάδας γραφίτη στο νερό χρησιμοποιώντας το UP200S, ένας υπερηχητικός 200W με sonotrode 3mm. Τα βέλη δείχνουν τον τόπο διάσπασης (απολέπιση) με φυσαλίδες σπηλαίωσης που διεισδύουν στη διάσπαση.
© Tyurnina et al. 2020
Ισχυρό υπερήχων για απολέπιση Borophene σε οποιαδήποτε κλίμακα
Hielscher Υπέρηχοι σχεδιάζει, κατασκευάζει, και διανέμει ισχυρή και αξιόπιστη υπερήχων σε οποιοδήποτε μέγεθος. Από συμπαγείς εργαστηριακές συσκευές υπερήχων σε βιομηχανικούς υπερηχητικούς ανιχνευτές και αντιδραστήρες, Hielscher έχει το ιδανικό σύστημα υπερήχων για τη διαδικασία σας. Με μακρόχρονη εμπειρία σε εφαρμογές όπως η σύνθεση και διασπορά νανοϋλικών, το άρτια εκπαιδευμένο προσωπικό μας θα σας προτείνει την καταλληλότερη εγκατάσταση για τις απαιτήσεις σας. Hielscher βιομηχανική υπερήχων επεξεργαστές είναι γνωστή ως αξιόπιστα άλογα εργασίας σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις. Ικανός να παραδώσει πολύ υψηλά πλάτη, Hielscher υπερήχων είναι ιδανικό για εφαρμογές υψηλής απόδοσης όπως η απολέπιση μποροφαίνιο ή γραφένιο, καθώς και διασπορές νανοϋλικών. Πλάτη έως 200μm μπορούν εύκολα να λειτουργούν συνεχώς σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes.
Όλος ο εξοπλισμός σχεδιάζεται και κατασκευάζεται στην έδρα μας στη Γερμανία. Πριν από την παράδοση στον πελάτη, κάθε συσκευή υπερήχων ελέγχεται προσεκτικά υπό πλήρες φορτίο. Προσπαθούμε για την ικανοποίηση των πελατών και η παραγωγή μας είναι δομημένη έτσι ώστε να πληροί την υψηλότερη διασφάλιση ποιότητας (π.χ. πιστοποίηση ISO).
- υψηλή απόδοση
- Τεχνολογία αιχμής
- αξιοπιστία & Ευρωστία
- δέσμη & Ενσωματωμένη
- για κάθε τόμο
- έξυπνο λογισμικό
- έξυπνες λειτουργίες (π.χ. πρωτόκολλο δεδομένων)
- CIP (επιτόπιος καθαρισμός)
Ο παρακάτω πίνακας σας δίνει μια ένδειξη της κατά προσέγγιση ικανότητας επεξεργασίας των υπερήχων μας:
| Όγκος παρτίδας | Ροή | Προτεινόμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100Η |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL / λεπτό | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 έως 20L | 0.2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L / λεπτό | UIP4000hdT |
| μ.δ. | 10 έως 100L / λεπτό | UIP16000 |
| μ.δ. | μεγαλύτερου | σύμπλεγμα UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Hielscher Υπέρηχοι κατασκευάζει υψηλής απόδοσης υπερήχων ομογενοποιητές για την ανάμειξη εφαρμογών, διασπορά, γαλακτωματοποίηση και εκχύλιση σε εργαστήριο, πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- Feng Zhang, Liaona She, Congying Jia, Xuexia He, Qi Li, Jie Sun, Zhibin Lei, Zong-Huai Liu (2020): Few-layer and large flake size borophene: preparation with solvothermal-assisted liquid phase exfoliation. RSC Advances 46, 2020.
- Simru Göktuna, Nevin Taşaltın (2021): Preparation and characterization of PANI: α borophene electrode for supercapacitors. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures,
Volume 134, 2021. - Chen, C., Lv, H., Zhang, P. et al. (2021): Synthesis of bilayer borophene. Nature Chemistry 2021.
- Haojian, Lin; Shi, Haodong;Wang, Zhen; Mu, Yuewen ; Li, Si-Dian; Zhao, Jijun; Guo, Jingwei ; Yang, Bing; Wu, Zhong-Shuai; Liu, Fei. (2021): Low-temperature Liquid Exfoliation of Milligram-scale Single Crystalline Few-layer β12-Borophene Sheets as Efficient Electrocatalysts for Lithium–Sulfur Batteries. 2021.
- Jinqian Hao; Guoan Tai; Jianxin Zhou; Rui Wang; Chuang Hou; Wanlin Guo (2020): Crystalline Semiconductor Boron Quantum Dots. ACS Applied Material Interfaces 12 (15), 2020. 17669–17675.
Γεγονότα που αξίζει να γνωρίζετε
βοροφαίνιο
Το βοροφαίνιο είναι μια κρυσταλλική ατομική μονοστιβάδα του βορίου, δηλαδή είναι μια δισδιάστατη αλλοτροπική μορφή του βορίου (ονομάζεται επίσης νανοφύλλο βορίου). Τα μοναδικά φυσικά και χημικά χαρακτηριστικά του μετατρέπουν το βοροφαίνιο σε πολύτιμο υλικό για πολλές βιομηχανικές εφαρμογές.
Οι εξαιρετικές φυσικές και χημικές ιδιότητες του Borophene περιλαμβάνουν μοναδικές μηχανικές, θερμικές, ηλεκτρονικές, οπτικές και υπεραγώγιμες όψεις.
Αυτό ανοίγει δυνατότητες χρήσης βοροφενίου για εφαρμογές σε μπαταρίες ιόντων αλκαλικών μετάλλων, μπαταρίες Li-S, αποθήκευση υδρογόνου, υπερπυκνωτή, μείωση και εξέλιξη οξυγόνου, καθώς και αντίδραση ηλεκτροαναγωγής CO2. Ιδιαίτερα υψηλό ενδιαφέρον πηγαίνει στο βοροφαίνιο ως υλικό ανόδου για μπαταρίες και ως υλικό αποθήκευσης υδρογόνου. Λόγω των υψηλών θεωρητικών ειδικών ικανοτήτων, της ηλεκτρονικής αγωγιμότητας και των ιδιοτήτων μεταφοράς ιόντων, το βοροφαίνιο χαρακτηρίζεται ως μεγάλο υλικό ανόδου για μπαταρίες. Λόγω της υψηλής ικανότητας προσρόφησης του υδρογόνου σε βοροφαίνιο, προσφέρει μεγάλες δυνατότητες αποθήκευσης υδρογόνου - με χωρητικότητα αποθήκευσης πάνω από το 15% του βάρους του.
Borophene για αποθήκευση υδρογόνου
Τα δισδιάστατα (2D) υλικά με βάση το βόριο λαμβάνουν μεγάλη προσοχή ως μέσα αποθήκευσης H2 λόγω της χαμηλής ατομικής μάζας του βορίου και της σταθερότητας της διακόσμησης αλκαλικών μετάλλων στην επιφάνεια, τα οποία ενισχύουν τις αλληλεπιδράσεις με το H2. Τα δισδιάστατα νανοφύλλα βοροφενίου, τα οποία μπορούν εύκολα να συντεθούν χρησιμοποιώντας υπερηχητική απολέπιση υγρής φάσης όπως περιγράφεται παραπάνω, έχουν δείξει καλή συγγένεια για διαφορετικά άτομα διακόσμησης μετάλλων, στα οποία μπορεί να συμβεί ομαδοποίηση ατόμων μετάλλων. Χρησιμοποιώντας μια ποικιλία μεταλλικών διακοσμήσεων, όπως Li, Na, Ca, και Ti σε διαφορετικά πολύμορφα βοροφαίνιο, έχουν ληφθεί εντυπωσιακές βαρυμετρικές πυκνότητες H2 που κυμαίνονται από 6 έως 15 wt%, υπερβαίνοντας την απαίτηση του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) για αποθήκευση επί του σκάφους 6,5 wt % H2. (πρβλ. Habibi et al., 2021)
Hielscher Υπέρηχοι κατασκευάζει υψηλής απόδοσης υπερήχων ομογενοποιητές από εργαστήριο προς βιομηχανικό μέγεθος.