Xenes'i ultraheli koorimine

Xenes on 2D monoelementaalsed nanomaterjalid, millel on erakordsed omadused, nagu väga suur pindala, anisotroopsed füüsikalised / keemilised omadused, sealhulgas suurepärane elektrijuhtivus või tõmbetugevus. Ultraheli koorimine või delamineerimine on tõhus ja usaldusväärne meetod ühekihiliste 2D nanolehtede tootmiseks kihilistest lähteainetest. Ultraheli koorimine on juba loodud kvaliteetsete xenes nanolehtede tootmiseks tööstuslikus mastaabis.

Xenes – Ühekihilised nanostruktuurid

Xenes on ühekihilised (2D), monoelementaalsed nanomaterjalid, millel on grafeenilaadne struktuur, kihisisene kovalentne side ja nõrgad van der Waalsi jõud kihtide vahel. Xenes klassi kuuluvate materjalide näited on borofeen, silitseen, germaneen, stanene, fosforeen (must fosfor), arseen, vismuteen ning tellureen ja antimoneen. Tänu oma ühekihilisele 2D-struktuurile on kseenide nanomaterjalid söestunud väga suure pinnaga ning täiustatud keemiliste ja füüsikaliste reaktsioonidega. Need struktuursed omadused annavad kseenidele nanomaterjalidele muljetavaldavad fotoonsed, katalüütilised, magnetilised ja elektroonilised omadused ning muudavad need nanostruktuurid paljude tööstuslike rakenduste jaoks väga huvitavaks. Vasakul pildil on SEM-pildid ultraheliga kooritud borofeenist.

Xenes nanomaterjalide tootmine ultraheli delamineerimise abil

Kihiliste nanomaterjalide vedelkoorimine: Ühekihilisi 2D-nanolehti toodetakse anorgaanilistest materjalidest, millel on kihilised struktuurid (nt grafiit), mis koosnevad lõdvalt virnastatud peremeeskihtidest, mis näitavad kiht-kihilt kihile galerii laienemist või paisumist teatud ioonide ja/või lahustite interkalatsioonil. Koorimine, mille käigus kihiline faas lõhustatakse nanolehtedeks, kaasneb tavaliselt tursega, mis on tingitud kihtide vahel kiiresti nõrgenenud elektrostaatilistest külgetõmmetest, mis tekitavad üksikute 2D-kihtide või lehtede kolloidseid dispersioone. (vrd Geng et al, 2013) Üldiselt on teada, et turse hõlbustab koorimist ultraheliuuringu kaudu ja põhjustab negatiivselt laetud nanolehti. Keemiline eeltöötlus hõlbustab ka koorimist ultrahelitöötluse abil lahustites. Näiteks võimaldab funktsionaliseerimine kihiliste topelthüdroksiidide (LDH) koorimist alkoholides. (vrd Nicolosi et al., 2013)
Ultraheli koorimiseks / delamineerimiseks puutub kihiline materjal kokku võimsate ultraheli lainetega lahustis. Kui energiatihedad ultraheli lained on ühendatud vedeliku või läga, tekib akustiline ehk ultraheli kavitatsioon. Ultraheli kavitatsiooni iseloomustab vaakummullide kokkuvarisemine. Ultraheli lained liiguvad läbi vedeliku ja tekitavad vahelduvaid madala rõhu / kõrgsurve tsükleid. Minutilised vaakummullid tekivad madala rõhu (haruldase) tsükli ajal ja kasvavad erinevate madala rõhu / kõrgsurve tsüklite jooksul. Kui kavitatsioonimull jõuab punkti, kus ta ei suuda enam energiat absorbeerida, implodeerub mull ägedalt ja loob lokaalselt väga energiatihedad tingimused. Kavitatsioonilise kuuma punkti määravad väga kõrged rõhud ja temperatuur, vastavad rõhud ja temperatuurierinevused, kiired vedelikujoad ja nihkejõud. Need sonomehaanilised ja sonokeemilised jõud suruvad lahusti virnastatud kihtide vahele ning lagunevad kihilised tahked osakesed ja kristalsed struktuurid, tekitades seeläbi kooritud nanolehti. Allolev pildijärjestus näitab koorimisprotsessi ultraheli kavitatsiooni abil.

Kiire kaadrite jada (a-st f-ni), mis illustreerib grafiidihelveste sonomehaanilist koorimist vees, kasutades UP200S, 200W ultrasonikaator 3 mm sonotrode'iga. Nooled näitavad lõhenemise (koorimise) kohta kavitatsioonimullidega, mis tungivad lõhenemisse.
© Tyurnina jt 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelleerimine on näidanud, et kui lahusti pinnaenergia on sarnane kihilise materjali omaga, on kooritud ja taasagregeeritud olekute energiaerinevus väga väike, eemaldades uuesti agregatsiooni liikumapaneva jõu. Võrreldes alternatiivsete segamis- ja lõikamismeetoditega pakkusid ultraheli segistid koorimiseks tõhusamat energiaallikat, mis viis ioonide interkalatsiooni demonstreerimiseni - TaS-i abistatud koorimine₂, NbS₂ja MoS₂, samuti kihilised oksiidid. (vrd Nicolosi et al., 2013)

TEM-pildid ultraheli vedelatest kooritud nanolehtedest: (A) Grafeeni nanoleht, mis on kooritud ultrahelitöötluse abil lahustis N-metüül-pürrolidoonis. (B) H-BN nanoleht, mis on kooritud ultrahelitöötluse abil lahustis isopropanoolis. (C) MoS2 nanoleht, mis on kooritud ultrahelitöötluse abil pindaktiivse aine vesilahuses.
(Uuring ja pildid: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultraheli vedelik-koorimise protokollid

Xenesi ja teiste ühekihiliste nanomaterjalide ultraheli koorimist ja delamineerimist on uuringutes põhjalikult uuritud ja see viidi edukalt tööstusliku tootmise etappi. Allpool tutvustame teile valitud koorimisprotokolle, kasutades ultrahelitöötlust.

Fosforeeni nanohelveste ultraheli koorimine

Fosforeen (tuntud ka kui must fosfor, BP) on 2D-kihiline monoelementne materjal, mis on moodustatud fosforiaatomitest.
Passaglia jt (2018) uuringus on näidatud fosforeeni - metüülmetakrülaadi stabiilsete suspensioonide valmistamine bP ultrahelitöötluse abil vedela faasi koorimisega (LPE) MMA juuresolekul, millele järgneb radikaalne polümerisatsioon. Metüülmetakrülaat (MMA) on vedel monomeer.

Fosforeeni ultraheli vedela koorimise protokoll

MMA_bPn, NVP_bPn ja Sty_bPn suspensioonid saadi LPE poolt ainsa monomeeri juuresolekul. Tüüpilise protseduuri käigus pandi katseklaasi ∼5 mg hoolikalt uhmris purustatud bP-d ja seejärel lisati kaalutud kogus MMA-d, Sty-d või NVP-d. Monomeer bP suspensiooni töödeldi ultraheliga 90 minutit, kasutades Hielscher Ultrasonics homogenisaatorit UP200St (200W, 26kHz), mis on varustatud sonotrode S26d2-ga (otsa läbimõõt: 2 mm). Ultraheli amplituud hoiti konstantsena 50% juures, kui P = 7 W. Kõigil juhtudel kasutati soojuse paremaks hajutamiseks jäävanni. Viimased MMA_bPn, NVP_bPn ja Sty_bPn vedrustust lämmatati seejärel N2-ga 15 minutit. Kõiki suspensioone analüüsis DLS, näidates rH väärtusi, mis on tõesti lähedased DMSO_bPn omadele. Näiteks MMA_bPn suspensiooni (millel oli umbes 1% bP sisaldusest) iseloomustas rH = 512 ± 58 nm.
Kuigi teised fosforeeni teaduslikud uuringud teatavad ultrahelitöötluse ajast mitu tundi, kasutades ultraheli puhastusvahendit, kõrge keemistemperatuuriga lahusteid ja madalat efektiivsust, näitab Passaglia uurimisrühm väga tõhusat ultraheli koorimisprotokolli, kasutades sondi tüüpi ultrasonikaatorit (nimelt Hielscheri ultrasonikaatori mudel UP200St).

Ühekihiliste nanolehtede ultraheli koorimine

Borofeeni ja ruteeniumoksiidi nanolehtede täpsemate üksikasjade ja koorimisprotokollide lugemiseks järgige allolevaid linke:
Borofeen: Ultrahelitöötlusprotokollide ja ultraheli borofeeni koorimise tulemuste jaoks klõpsake siin!
RuO2: Ultrahelitöötlusprotokollide ja ultraheli ruteeniumoksiidi nanolehtede koorimise tulemuste jaoks klõpsake siin!

Mõnekihiliste ränidioksiidi nanolehtede ultraheli koorimine

Mõnekihilised kooritud ränidioksiidi nanolehed valmistati looduslikust vermikuliidist (Verm) ultraheli koorimise teel. Kooritud ränidioksiidi nanolehtede sünteesiks kasutati järgmist vedelfaasilise koorimise meetodit: 40 mg ränidioksiidi nanolehti dispergeeriti 40 ml absoluutses etanoolis. Seejärel valmistati segu ultraheliga 2 tundi, kasutades Hielscheri ultraheli protsessorit UP200St, mis oli varustatud 7 mm sonotrode'iga. Ultraheli laine amplituud hoiti konstantsena 70% juures. Ülekuumenemise vältimiseks rakendati jäävanni. Koorimata SN eemaldati tsentrifuugimisega kiirusel 1000 pööret minutis 10 minutit. Lõpuks dekanteeriti toode ja kuivatati toatemperatuuril vaakumis üleöö. (vrd Guo et al., 2022)

Suure võimsusega ultraheli sondid ja reaktorid Xenes nanolehtede koorimiseks

Hielscher Ultrasonics projekteerib, toodab ja levitab tugevaid ja usaldusväärseid ultrasonikaatoreid igas suuruses. Alates kompaktsetest laboratoorsetest ultraheli seadmetest kuni tööstuslike ultraheli sondide ja reaktoriteni on Hielscheril teie protsessi jaoks ideaalne ultraheli süsteem. Pikaajalise kogemusega sellistes rakendustes nagu nanomaterjalide süntees ja dispersioon, meie hästi koolitatud töötajad soovitavad teile teie vajadustele kõige sobivamat seadistust. Hielscheri tööstuslikud ultraheli protsessorid on tööstusrajatistes tuntud kui usaldusväärsed tööhobused. Hielscheri ultrasonikaatorid on võimelised pakkuma väga kõrgeid amplituudi, mis sobivad ideaalselt suure jõudlusega rakendusteks, nagu kseenide ja teiste 2D ühekihiliste nanomaterjalide, nagu borofeen, fosforeen või grafeen, süntees, samuti nende nanostruktuuride usaldusväärne dispersioon.
Erakordselt võimas ultraheli: Hielscher Ultrasonics’ Tööstuslikud ultraheli protsessorid võivad pakkuda väga kõrgeid amplituudi. Amplituudid kuni 200 μm saab hõlpsasti pidevalt käivitada 24/7 operatsioonis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid.
Kõrgeim kvaliteet – Disainitud ja valmistatud Saksamaal: Kõik seadmed on projekteeritud ja toodetud meie peakontoris Saksamaal. Enne kliendile tarnimist testitakse iga ultraheli seadet hoolikalt täiskoormusel. Püüdleme kliendirahulolu poole ja meie tootmine on üles ehitatud nii, et see vastaks kõrgeimale kvaliteeditagamisele (nt ISO sertifikaat).

Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest: