Síntesis ultrasónica de borofeno a escala industrial

El borofeno, un derivado nanoestructurado bidimensional del boro, puede sintetizarse de forma eficiente mediante una exfoliación ultrasónica sencilla y de bajo coste. La exfoliación ultrasónica en fase líquida permite producir grandes cantidades de nanoláminas de borofeno de alta calidad. La técnica de exfoliación ultrasónica se utiliza ampliamente para producir nanomateriales 2D (p. ej., grafeno) y es bien conocida por sus ventajas: nanoláminas de alta calidad, altos rendimientos, un funcionamiento rápido y sencillo y una elevada eficiencia global.

Método de exfoliación ultrasónica para la preparación de borofeno

La exfoliación en fase líquida impulsada por ultrasonidos se utiliza ampliamente para preparar nanoláminas 2D a partir de diversos precursores en forma masiva, como el grafito (grafeno) y el boro (borofeno), entre otros. En comparación con la técnica de exfoliación química, la exfoliación en fase líquida asistida por ultrasonidos se considera la estrategia más prometedora para preparar nanoestructuras 0D y 2D, como puntos cuánticos de boro (BQDs) y borofeno. (véase Wang et al., 2021)
El esquema de la izquierda muestra el proceso de exfoliación ultrasónica en fase líquida a baja temperatura de láminas 2D de borofeno de pocas capas. (Estudio e imagen: ©Lin et al., 2021.)

Estudios de caso de exfoliación ultrasónica de borofeno

La exfoliación y la delaminación mediante ultrasonidos de potencia en un proceso en fase líquida se han estudiado ampliamente y se han aplicado con éxito al borofeno y a otros derivados del boro, como los puntos cuánticos de boro, el nitruro de boro o el diboruro de magnesio.

α-borofeno

En el estudio realizado por Göktuna y Taşaltın (2021), se preparó α-borofeno mediante una exfoliación ultrasónica sencilla y de bajo coste. Las nanoláminas de borofeno sintetizadas por ultrasonidos presentan una estructura cristalina de α-borofeno.
Protocolo: se sonicaron 100 mg de micropartículas de boro en 100 ml de DMF a 200 W (p. ej., utilizando el UP200St con S26d14) durante 4h en una cabina con flujo controlado de nitrógeno (N₂) para evitar la oxidación durante el proceso de exfoliación ultrasónica en fase líquida. La solución de partículas de boro exfoliadas se centrifugó a 5000 rpm y 12.000 rpm durante 15 min, respectivamente; a continuación, el borofeno se recogió cuidadosamente y se secó al vacío durante 4h a 50ºC. (véase Göktuna y Taşaltın, 2021)

Ilustración esquemática del borofeno de pocas capas exfoliado mediante el proceso de tratamiento solvotérmico asistido por ultrasonidos de sonda.
Estudio e imagen: ©Zhang et al., 2020

Borofeno de pocas capas

Zhang et al. (2020) describen una técnica de exfoliación en fase líquida asistida por tratamiento solvotérmico en acetona que permite producir borofeno de alta calidad con grandes dimensiones laterales. Aprovechando el efecto de hinchamiento de la acetona, primero se humedeció en acetona el precursor de boro en polvo. A continuación, el precursor de boro humedecido se sometió a un tratamiento solvotérmico adicional en acetona a 200ºC, seguido de sonicación con un sonicador de sonda a 225 W durante 4h. Finalmente, se obtuvo borofeno con unas pocas capas de boro y una dimensión lateral de hasta 5,05 mm. La técnica de exfoliación en fase líquida asistida por tratamiento solvotérmico en acetona permite preparar nanoláminas de boro de grandes dimensiones laterales y alta calidad. (véase Zhang et al., 2020)
Al comparar el patrón de XRD del borofeno exfoliado por ultrasonidos con el del precursor de boro en forma masiva, se observa un patrón de XRD similar. La mayoría de los principales picos de difracción pueden indexarse al boro b-romboédrico, lo que sugiere que la estructura cristalina se conserva prácticamente antes y después del tratamiento de exfoliación.

Imágenes SEM de baja resolución (a) y alta resolución (b) de borofeno de pocas capas obtenido mediante exfoliación solvotérmica en acetona asistida por ultrasonidos
Estudio e imagen: ©Zhang et al., 2020

Patrones de XRD (a) y espectros Raman (b) de boro en forma masiva sin tratar y de borofeno de pocas capas obtenido mediante exfoliación solvotérmica asistida por ultrasonidos de sonda.
Estudio e imagen: ©Zhang et al., 2020

Síntesis sonoquímica de puntos cuánticos de boro

Hao et al. (2020) prepararon con éxito, a gran escala, puntos cuánticos de boro (BQDs) semiconductores cristalinos y uniformes a partir de boro en polvo expandido en acetonitrilo, un disolvente orgánico muy polar, utilizando un potente ultrasonicador de sonda (p. ej., UP400St, UIP500hdT o UIP1000hdT). Los puntos cuánticos de boro sintetizados tenían una dimensión lateral de 2,46 ±0,4 nm y un espesor de 2,81 ±0,5 nm.
Protocolo: en una preparación típica de puntos cuánticos de boro, primero se añadieron 30 mg de boro en polvo a un matraz de tres bocas y, a continuación, se añadieron 15 mL de acetonitrilo al recipiente antes del proceso de sonicación. La exfoliación se realizó con una potencia de salida de 400 W (p. ej., utilizando el UIP500hdT), una frecuencia de 20 kHz y un tiempo de sonicación de 60 min. Para evitar el sobrecalentamiento de la solución durante la sonicación, se aplicó refrigeración mediante un baño de hielo o un refrigerador de laboratorio para mantener una temperatura constante. La solución resultante se centrifugó a 1500 rpm durante 60 min. El sobrenadante que contenía los puntos cuánticos de boro se extrajo con cuidado. Todos los experimentos se realizaron a temperatura ambiente. (véase Hao et al., 2020)
En el estudio de Wang et al. (2021), los investigadores también prepararon puntos cuánticos de boro mediante la técnica de exfoliación ultrasónica en fase líquida. Obtuvieron puntos cuánticos de boro monodispersos con una distribución de tamaños estrecha, una excelente dispersabilidad, una elevada estabilidad en solución de IPA y fluorescencia «two-photo».

Imágenes TEM y la correspondiente distribución de diámetros de los BQDs preparados en distintas condiciones de sonicación. (a) Imagen TEM de BQDs-2 sintetizados a 400 W durante 2 h. (b) Imagen TEM de BQDs-3 sintetizados a 550 W durante 1 h. (c) Imagen TEM de BQDs-3 sintetizados a 400 W durante 4 h. (d) Distribución de diámetros de los puntos cuánticos obtenida de (a). (e) Distribución de diámetros de los puntos cuánticos obtenida de (b). (f) Distribución de diámetros de los puntos cuánticos obtenida de (c).
Estudio e imagen: ©Hao et al., 2020

Exfoliación ultrasónica de nanoláminas de diboruro de magnesio

El proceso de exfoliación se llevó a cabo suspendiendo 450 mg de diboruro de magnesio
(MgB₂) en polvo (tamaño aproximado de 100 mesh / 149 micrómetros) en 150 ml de agua y sometiéndolo a sonicación durante 30 minutos. La exfoliación ultrasónica puede realizarse con un ultrasonicador de sonda, como el UP200Ht o UP400St con una amplitud del 30% y un modo de ciclos con pulsos de encendido/apagado de 10sec. La exfoliación ultrasónica da lugar a una suspensión de color negro intenso. El color negro puede atribuirse al color del polvo de MgB2 original.

Secuencia de fotogramas a alta velocidad (de a a f) que ilustra la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua utilizando el UP200S, un ultrasonicador de 200 W con un sonotrodo de 3 mm. Las flechas muestran el punto de separación (exfoliación), con burbujas de cavitación que penetran en la abertura.
© Tyurnina et al. 2020

Potentes ultrasonicadores para la exfoliación de borofeno a cualquier escala

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Todos los sonicadores y accesorios de Hielscher se diseñan y fabrican en la sede central en Alemania. Antes de su entrega al cliente, cada dispositivo ultrasónico se somete a pruebas exhaustivas a plena carga. Nos esforzamos por lograr la satisfacción del cliente y nuestra producción está organizada para cumplir los más altos estándares de aseguramiento de la calidad (p. ej., certificación ISO).

La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores: