Ultraheliga boorfeeni süntees tööstuslikus mastaabis
Boorfeeni, boori kahemõõtmelist nanostruktuurset derivaati, saab tõhusalt sünteesida lihtsa ja odava ultraheliga eksfoliatsiooni abil. Ultraheli vedelfaasilise eksfoliatsiooni abil saab toota suuri koguseid kvaliteetseid boorfeeni nanolehti. Ultraheliga eksfoliatsiooni tehnikat kasutatakse laialdaselt 2D nanomaterjalide (nt grafeeni) tootmiseks ning see on hästi tuntud oma eeliste poolest: kvaliteetsed nanolehed, kõrge saagis, kiire ja lihtne töö ning üldine tõhusus.
Ultraheliga eksfoliatsiooni meetod boorfeeni valmistamiseks
Ultraheliga käivitatud vedelfaasilist eksfoliatsiooni kasutatakse laialdaselt 2D nanolehtede valmistamiseks erinevatest mahtmaterjalidest lähteainetest, sealhulgas grafiidist (grafeen) ja boorist (boorfeen). Võrreldes keemilise eksfoliatsiooni tehnikaga peetakse ultraheli toel toimuvat vedelfaasilist eksfoliatsiooni lootustandvamaks strateegiaks 0D ja 2D nanostruktuuride, näiteks booriga kvantpunktide (BQD-d) ja boorfeeni valmistamiseks. (vrd Wang et al., 2021)
Vasakul olev skeem näitab 2D vähekihilise boorfeeni lehtede ultraheliga madala temperatuuriga vedelas keskkonnas eksfoliatsiooni protsessi. (Uuring ja pilt: ©Lin et al., 2021.)
Sonokeemiline reaktor, mis on varustatud 2000-vatise tööstusliku ultraheliprotsessoriga UIP2000hdT boorfeeni eksfoliatsiooniks suures mastaabis.
Ultraheliga boorfeeni eksfoliatsiooni juhtumiuuringud
Eksfoliatsiooni ja delaminatsiooni võimsa ultraheli abil vedelfaasilises protsessis on laialdaselt uuritud ning seda on edukalt rakendatud boorfeeni ja teiste boori derivaatide, näiteks boori kvantpunktide, boornitriidi või magneesiumdiboriidi puhul.
α-boorfeen
Göktuna ja Taşaltını (2021) läbiviidud uuringus valmistati α-boorfeen lihtsa ja odava ultraheliga eksfoliatsiooni abil. Ultraheliga sünteesitud boorfeeni nanolehtedel on α-boorfeeni kristallstruktuur.
Protokoll: 100 mg boori mikroosakesi töödeldi ultraheliga 100 ml DMF-is võimsusel 200 W (nt kasutades seadet UP200St koos sonotroodiga S26d14) 4 tundi lämmastiku (N2) vooluga kontrollitavas kambris, et vältida oksüdeerumist ultraheli vedelfaasilise eksfoliatsiooni protsessi ajal. Eksfoliseeritud booriosakeste lahust tsentrifuugiti vastavalt 5000 rpm ja 12 000 rpm juures 15 min, seejärel koguti boorfeen hoolikalt ning kuivatati vaakumis 4 tundi temperatuuril 50ºC. (vrd Göktuna ja Taşaltın, 2021)
Skemaatiline joonis vähekihilise boorfeeni eksfoliatsioonist sondi-ultraheli toel toimuva solvotermilise töötlemise protsessiga.
Uuring ja pilt: ©Zhang et al., 2020
Vähekihiline boorfeen
Zhang et al. (2020) kirjeldavad atsetooni solvotermilist vedelfaasilist eksfoliatsioonitehnikat, mis võimaldab toota kvaliteetset boorfeeni suure horisontaalmõõtmega. Atsetooni paisutava toime abil niisutati boori pulbri lähteaine esmalt atsetoonis. Seejärel töödeldi niisutatud boori lähteainet atsetoonis temperatuuril 200ºC edasi solvotermiliselt, millele järgnes sonikeerimine sondtüüpi sonikaatoriga võimsusel 225 W 4 tundi. Lõpuks saadi boorfeen, millel oli mõni boorikiht ja horisontaalmõõde kuni 5,05 mm. Atsetooni solvotermilise toega vedelfaasilise eksfoliatsiooni tehnikat saab kasutada suurte horisontaalmõõtmetega ja kõrge kvaliteediga boori nanolehtede valmistamiseks. (vrd Zhang et al., 2020)
Kui ultraheliga eksfoliseeritud boorfeeni XRD-mustrit võrrelda mahtmaterjalist boori lähteainega, on näha sarnane XRD-muster. Enamiku peamistest difraktsioonipiikidest saab indekseerida b-romboeedrilise boorina, mis viitab sellele, et kristallstruktuur säilib eksfoliatsioonitöötluse eel ja järel peaaegu muutumatuna.
Vähese kihtide arvuga boorfeeni SEM-kujutised madala (a) ja kõrge (b) eraldusvõimega, mis saadi ultraheli toel toimuva solvotermilise eksfoliatsiooniga atsetoonis
Uuring ja pilt: ©Zhang et al., 2020
Töötlemata mahtmaterjalist boori ning vähekihilise boorfeeni, mis saadi sondi-ultraheli toel toimuva solvotermilise eksfoliatsiooniga, XRD-mustrid (a) ja Ramani spektrid (b).
Uuring ja pilt: ©Zhang et al., 2020
Boori kvantpunktide sonokeemiline süntees
Hao et al. (2020) valmistasid edukalt suuremahulisi ja ühtlaseid kristallilisi pooljuhtboori kvantpunkte (BQDs) paisutatud boorpulbrist atsetonitriilis, mis on tugevalt polaarne orgaaniline lahusti, kasutades võimsat sondtüüpi sonikaatorit (nt UP400St, UIP500hdT või UIP1000hdT). Sünteesitud boori kvantpunktide külgsuurus oli 2,46 ±0,4 nm ja paksus 2,81 ±0,5 nm.
Protokoll: Boori kvantpunktide tüüpilisel valmistamisel lisati 30 mg boorpulbrit esmalt kolmekaelalisse kolbi ja seejärel lisati kolbi enne ultraheli töötlust 15 mL atsetonitriili. Eksfoliatsioon viidi läbi väljundvõimsusel 400 W (nt kasutades seadet UIP500hdT), sagedusel 20kHz ja ultraheli töötluse kestusel 60 min. Lahuse ülekuumenemise vältimiseks ultraheli töötluse ajal kasutati konstantse temperatuuri hoidmiseks jahutust jäävanni või laborijahuti abil. Saadud lahust tsentrifuugiti 1500 rpm juures 60 min. Boori kvantpunkte sisaldav supernatant eraldati õrnalt. Kõik katsed viidi läbi toatemperatuuril. (vrd Hao et al., 2020)
Wang et al. (2021) uuringus valmistasid teadlased boori kvantpunkte samuti ultraheli vedelfaasilise eksfoliatsiooni meetodil. Nad said monodispersse boori kvantpunkti kitsa suurusjaotusega, suurepärase dispergeeritavusega, kõrge stabiilsusega IPA lahuses ja „two-photo“ fluorestsentsiga.
TEM-kujutised ja BQDs-i vastavad läbimõõdu jaotused, mis on valmistatud erinevatel ultraheli tingimustel. (a) BQDs-2 TEM-kujutis, süntees 400 W juures 2 h jooksul. (b) BQDs-3 TEM-kujutis, süntees 550 W juures 1 h jooksul. (c) BQDs-3 TEM-kujutis, süntees 400 W juures 4 h jooksul. (d) Kvantpunktide läbimõõdu jaotus, saadud kujutiselt (a). (e) Kvantpunktide läbimõõdu jaotus, saadud kujutiselt (b). (f) Kvantpunktide läbimõõdu jaotus, saadud kujutiselt (c).
Uuring ja pilt: ©Hao et al., 2020
Magneesiumdiboriidi nanolehtede ultraheli eksfoliatsioon
Eksfoliatsiooniprotsess viidi läbi, suspendeerides 450mg magneesiumdiboriidi
(MgB2) pulbrit (ca 100 mesh suurus / 149 mikronit) 150 ml vees ja töödeldes seda ultrahelega 30 minutit. Ultraheli eksfoliatsiooni saab teostada sondtüüpi sonikaatoriga, näiteks UP200Ht või UP400St amplituudil 30% ja tsüklirežiimil 10 sek sisse/välja impulsid. Ultraheli eksfoliatsiooni tulemuseks on tumemust suspensioon. Musta värvi võib seostada puhta MgB2 pulbri värviga.
Kiire kaadrite jada (a kuni f), mis illustreerib grafiidihelbe sonomehaanilist eksfoliatsiooni vees, kasutades UP200S, 200W sonikaatorit 3mm sonotroodiga. Nooled näitavad lõhenemiskohta (eksfoliatsiooni), kuhu tungivad kavitatsioonimullid.
© Tyurnina et al. 2020
Võimsad sonikaatorid borofeeni eksfoliatsiooniks igas mastaabis
Hielscher Ultrasonics projekteerib, toodab ja turustab töökindlaid ja usaldusväärseid sonikaatoreid igas suuruses. Kompaktsetest laboriseadmetest tööstuslike ultraheli sondide ja reaktoriteni – ettevõttel Hielscher on teie protsessile sobiv ultraheli süsteem. Pikaajalise kogemusega sellistes rakendustes nagu nanomaterjalide süntees ja dispergeerimine soovitab meie hästi koolitatud personal teie nõuetele kõige sobivamat lahendust. Hielscher tööstuslikud ultraheli protsessorid on tuntud kui töökindlad tööhobused tööstusettevõtetes. Kuna Hielscher sonikaatorid suudavad tagada väga kõrgeid amplituude, sobivad need ideaalselt suure jõudlusega rakendusteks, nagu boorfeeni või grafeeni eksfoliatsioon, samuti nanomaterjalide dispersioonide valmistamiseks. Kuni 200µm amplituude saab hõlpsasti pidevalt käitada ööpäevaringses 24/7 töörežiimis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Kõik Hielscher sonikaatorid ja tarvikud on projekteeritud ja toodetud peakontoris Saksamaal. Enne kliendile tarnimist testitakse iga ultraheliseadet hoolikalt täiskoormusel. Püüdleme klientide rahulolu poole ja meie tootmine on üles ehitatud kõrgeima kvaliteedi tagamiseks (nt ISO sertifitseerimine).
- kõrge efektiivsus
- tipptasemel tehnoloogia
- töökindlus ja vastupidavus
- perioodiline ja inline-töötlus
- mis tahes mahule
- intelligentne tarkvara
- nutikad funktsioonid (nt andmete protokollimine)
- CIP (puhastus kohapeal, clean-in-place)
Allolev tabel annab ülevaate meie ultraheliseadmete ligikaudsest töötlusvõimsusest:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster, mis koosneb seadmetest UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid segamiseks, dispergeerimiseks, emulgeerimiseks ja ekstraheerimiseks labori-, pilootmastaabis ja tööstuslikus mastaabis.
Kirjandus / viited
- 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.
Teadmist väärt fakte
Mis on borofeen?
Borofeen on boori kristalliline aatomiline monokiht, st see on boori kahemõõtmeline allotroop (nimetatakse ka boori nanolehekeseks). Selle ainulaadsed füüsikalised ja keemilised omadused muudavad borofeeni väärtuslikuks materjaliks paljudes tööstuslikes rakendustes.
Borofeeni erakordsete füüsikaliste ja keemiliste omaduste hulka kuuluvad ainulaadsed mehaanilised, termilised, elektroonilised, optilised ja ülijuhtivusega seotud aspektid.
See avab võimalusi kasutada borofeeni leelismetalli-ioonakudes, Li-S akudes, vesiniku säilitamisel, superkondensaatorites, hapniku redutseerimisel ja eraldumisel ning CO2 elektroredutseerimisreaktsioonis. Erilist huvi pakub borofeen akude anoodimaterjalina ja vesiniku säilitamise materjalina. Tänu suurele teoreetilisele eripahutavusele, elektrijuhtivusele ja ioonide transpordiomadustele sobib borofeen suurepäraselt akude anoodimaterjaliks. Tänu vesiniku suurele adsorptsioonivõimele borofeenil pakub see suurt potentsiaali vesiniku säilitamiseks – säilitusmahuga üle 15% oma massist.
Kuidas kasutatakse borofeeni vesiniku säilitamiseks?
Kahemõõtmelised (2D) boorpõhised materjalid pälvivad suurt tähelepanu H2 säilitusmeediumina, kuna boori aatomimass on väike ja leelismetallidega pinna dekoreerimine on stabiilne, mis tugevdab vastasmõjusid H2-ga. Kahemõõtmelised borofeeni nanolehekesed, mida saab hõlpsalt sünteesida ultraheli vedelfaasilise koorimisega, nagu eespool kirjeldatud, on näidanud head afiinsust erinevate metalliga dekoreerivate aatomite suhtes, mille puhul võib toimuda metalliaatomite klasterdumine. Kasutades mitmesuguseid metallidega dekoreerimisi, näiteks Li, Na, Ca ja Ti, erinevatel borofeeni polümorfidel on saavutatud muljetavaldavad H2 gravimeetrilised tihedused vahemikus 6 kuni 15 wt %, mis ületavad USA energeetikaministeeriumi (DOE) nõuet H2 pardal säilitamiseks 6,5wt%. (vrd Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics toodab suure jõudlusega ultraheli homogenisaatoreid alates laborist kuni tööstusliku mastaabini.