سنتز فراصوتی بوروفن در مقیاس صنعتی
بوروفن، مشتقی دوبعدی از بور با ساختار نانویی، را می‌توان با روشی ساده و کم‌هزینه برای لایه‌برداری فراصوتی، به‌طور کارآمد سنتز کرد. لایه‌برداری فراصوتی در فاز مایع را می‌توان برای تولید مقادیر زیادی از نانوورقه‌های بوروفن با کیفیت بالا به کار برد. روش لایه‌برداری فراصوتی به‌طور گسترده برای تولید نانومواد دوبعدی (2D)، مانند گرافن، استفاده می‌شود و به‌دلیل مزایایی همچون کیفیت بالای نانوورقه‌ها، بازده بالا، اجرای سریع و آسان و کارایی کلی شناخته شده است.
روش لایه‌برداری فراصوتی برای تهیهٔ بوروفن
لایه‌برداری در فاز مایع با نیروی فراصوت، به‌طور گسترده برای تهیهٔ نانوورقه‌های دوبعدی (2D) از پیش‌ماده‌های توده‌ای مختلف، از جمله گرافیت (گرافن) و بور (بوروفن)، استفاده می‌شود. در مقایسه با روش لایه‌برداری شیمیایی، لایه‌برداری در فاز مایع به کمک فراصوت، راهبرد امیدوارکننده‌تری برای تهیهٔ نانوساختارهای صفربعدی (0D) و دوبعدی (2D)، مانند نقاط کوانتومی بور (BQDs) و بوروفن، محسوب می‌شود. (رجوع کنید به Wang et al., 2021)
طرح سمت چپ، فرایند لایه‌برداری فراصوتی در مایع و در دمای پایین را برای ورقه‌های دوبعدی (2D) و چندلایهٔ بوروفن نشان می‌دهد. (پژوهش و تصویر: ©Lin et al., 2021.)
راکتور سونوشیمیایی مجهز به یک پردازشگر فراصوتی صنعتی UIP2000hdT با توان 2000 وات برای لایه‌برداری بوروفن در مقیاس بزرگ.
مطالعات موردی لایه‌برداری فراصوتی بوروفن
لایه‌برداری و جداسازی لایه‌ها با استفاده از فراصوت پرتوان در فرایندی در فاز مایع، به‌طور گسترده بررسی شده و با موفقیت برای بوروفن و دیگر مشتقات بور، مانند نقاط کوانتومی بور، نیترید بور یا دی‌بورید منیزیم، به کار رفته است.
بوروفن α
در پژوهش انجام‌شده توسط Göktuna and Taşaltın (2021)، بوروفن α با روشی ساده و کم‌هزینه برای لایه‌برداری فراصوتی تهیه شد. نانوورقه‌های بوروفن سنتزشده با فراصوت، ساختار بلوری بوروفن α را نشان می‌دهند.
دستور کار: ریزذرات بور به مقدار 100 mg در 100 ml از DMF با توان 200 W (برای مثال، با استفاده از UP200St به همراه S26d14) به‌مدت 4h در محفظه‌ای با جریان کنترل‌شدهٔ نیتروژن (N2) تحت فراصوت‌دهی قرار گرفتند تا از اکسیدشدن در طول فرایند لایه‌برداری فراصوتی در فاز مایع جلوگیری شود. محلول ذرات بور لایه‌برداری‌شده به‌ترتیب با سرعت‌های 5000 rpm و 12٬000 rpm، هر بار به‌مدت 15 min، سانتریفیوژ شد؛ سپس بوروفن با دقت جمع‌آوری و در محیط خلأ به‌مدت 4h در دمای 50ºC خشک شد. (رجوع کنید به Göktuna and Taşaltın, 2021)
نمای شماتیک بوروفن چندلایه که با فرایند تیمار حلال‌گرمایی به کمک فراصوت پروبی لایه‌برداری شده است.
پژوهش و تصویر: ©Zhang et al., 2020
بوروفن چندلایه
Zhang et al. (2020) روشی برای لایه‌برداری در فاز مایع با تیمار حلال‌گرمایی در استون گزارش کرده‌اند که امکان تولید بوروفن با کیفیت بالا و ابعاد جانبی بزرگ را فراهم می‌کند. با بهره‌گیری از اثر تورم‌دهی استون، پیش‌مادهٔ پودر بور ابتدا در استون خیس شد. سپس پیش‌مادهٔ بور خیس‌شده در استون و در دمای 200ºC تحت تیمار حلال‌گرمایی بیشتر قرار گرفت و پس از آن با یک سونیکاتور پروبی با توان 225 W به‌مدت 4h فراصوت‌دهی شد. در نهایت، بوروفنی متشکل از چند لایهٔ بور و با ابعاد جانبی تا 5٫05 mm به دست آمد. روش لایه‌برداری در فاز مایع به کمک تیمار حلال‌گرمایی در استون را می‌توان برای تهیهٔ نانوورقه‌های بور با ابعاد جانبی بزرگ و کیفیت بالا به کار برد. (رجوع کنید به Zhang et al., 2020)
هنگامی که الگوی XRD بوروفن لایه‌برداری‌شده با فراصوت با پیش‌مادهٔ بور توده‌ای مقایسه می‌شود، الگوی XRD مشابهی مشاهده می‌شود. بیشتر قله‌های اصلی پراش را می‌توان به بور رومبوهدرال b نسبت داد که نشان می‌دهد ساختار بلوری پیش و پس از تیمار لایه‌برداری تقریباً حفظ شده است.
تصاویر SEM با تفکیک‌پذیری پایین (a) و تفکیک‌پذیری بالا (b) از بوروفن چندلایهٔ به‌دست‌آمده با لایه‌برداری حلال‌گرمایی به کمک فراصوت در استون
پژوهش و تصویر: ©Zhang et al., 2020
الگوهای XRD (a) و طیف‌های رامان (b) بور توده‌ای تیمارنشده و بوروفن چندلایهٔ به‌دست‌آمده با لایه‌برداری حلال‌گرمایی به کمک فراصوت پروبی.
پژوهش و تصویر: ©Zhang et al., 2020
سنتز سونوشیمیایی نقاط کوانتومی بور
Hao et al. (2020) با استفاده از یک سونیکاتور پروبی قدرتمند، با موفقیت نقاط کوانتومی بور (BQDs) بلوری، نیمه‌رسانا و یکنواخت را در مقیاس بزرگ از پودر بور منبسط‌شده در استونیتریل، یک حلال آلی بسیار قطبی، تهیه کردند (برای مثال، UP400St, UIP500hdT یا UIP1000hdT). نقاط کوانتومی بور سنتزشده دارای اندازهٔ جانبی 2٫46 ±0٫4 nm و ضخامت 2٫81 ±0٫5 nm بودند.
دستور کار: در یک روش معمول تهیهٔ نقاط کوانتومی بور، ابتدا 30 mg از پودر بور به یک بالن سه‌دهانه افزوده شد و سپس، پیش از فرایند فراصوت‌دهی، 15 mL استونیتریل به ظرف اضافه شد. لایه‌برداری با توان خروجی 400 W (برای مثال، با استفاده از UIP500hdT)، فرکانس 20kHz و مدت فراصوت‌دهی 60 min انجام شد. برای جلوگیری از گرم‌شدن بیش از حد محلول در طول فراصوت‌دهی، از حمام یخ یا چیلر آزمایشگاهی برای خنک‌سازی و ثابت نگه‌داشتن دما استفاده شد. محلول حاصل با سرعت 1500 rpm به‌مدت 60 min سانتریفیوژ شد. مایع رویی حاوی نقاط کوانتومی بور به‌آرامی برداشت شد. تمام آزمایش‌ها در دمای اتاق انجام شدند. (رجوع کنید به Hao et al., 2020)
در پژوهش Wang et al. (2021) نیز پژوهشگران با استفاده از روش لایه‌برداری فراصوتی در فاز مایع، نقاط کوانتومی بور تهیه کردند. آن‌ها نقاط کوانتومی بور تک‌پراکنشی با توزیع اندازهٔ باریک، پراکنش‌پذیری عالی، پایداری بالا در محلول IPA و فلورسانس دوفوتونی به دست آوردند.
تصاویر TEM و توزیع قطر متناظر BQDs تهیه‌شده در شرایط مختلف فراصوت‌دهی. (a) تصویر TEM از BQDs-2 سنتزشده با توان 400 W به‌مدت 2 h. (b) تصویر TEM از BQDs-3 سنتزشده با توان 550 W به‌مدت 1 h. (c) تصویر TEM از BQDs-3 سنتزشده با توان 400 W به‌مدت 4 h. (d) توزیع قطر نقاط کوانتومی به‌دست‌آمده از (a). (e) توزیع قطر نقاط کوانتومی به‌دست‌آمده از (b). (f) توزیع قطر نقاط کوانتومی به‌دست‌آمده از (c).
پژوهش و تصویر: ©Hao et al., 2020
لایه‌برداری فراصوتی نانوورقه‌های دی‌بورید منیزیم
فرایند لایه‌برداری با معلق‌کردن 450mg از پودر دی‌بورید منیزیم
(MgB2) با اندازهٔ تقریبی 100 مش / 149 میکرون در 150 ml آب و قرار دادن آن در معرض فراصوت‌دهی به‌مدت 30 دقیقه انجام شد. لایه‌برداری فراصوتی را می‌توان با یک سونیکاتور پروبی مانند UP200Ht یا UP400St با دامنهٔ 30% و حالت چرخه‌ای پالس‌های روشن/خاموش 10sec انجام داد. لایه‌برداری فراصوتی به تشکیل سوسپانسیونی سیاه و تیره منجر می‌شود. رنگ سیاه را می‌توان به رنگ پودر اولیهٔ MgB2 نسبت داد.
توالی پرسرعتی از فریم‌ها (از a تا f) که لایه‌برداری صوتی‌مکانیکی یک پولک گرافیت در آب را با استفاده از UP200S، یک سونیکاتور 200W مجهز به سونوتْرود 3mm نشان می‌دهد. پیکان‌ها محل شکافتن (لایه‌برداری) را نشان می‌دهند که حباب‌های کاویتاسیون به درون شکاف آن نفوذ می‌کنند.
© Tyurnina et al. 2020
سونیکاتورهای قدرتمند برای لایه‌برداری بوروفن در هر مقیاسی
Hielscher Ultrasonics سونیکاتورهای مستحکم و قابل‌اعتماد را در هر اندازه‌ای طراحی، تولید و عرضه می‌کند. از دستگاه‌های فراصوتی آزمایشگاهی جمع‌وجور تا پروب‌ها و راکتورهای فراصوتی صنعتی، Hielscher سامانهٔ فراصوتی ایدئال برای فرایند شما را در اختیار دارد. کارکنان آموزش‌دیدهٔ ما با تکیه بر تجربهٔ طولانی در کاربردهایی مانند سنتز و پراکنده‌سازی نانومواد، مناسب‌ترین آرایش تجهیزات را برای نیازهای شما پیشنهاد می‌کنند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher در تأسیسات صنعتی به‌عنوان دستگاه‌هایی پرکار و قابل‌اعتماد شناخته می‌شوند. سونیکاتورهای Hielscher با قابلیت ایجاد دامنه‌های بسیار بالا، برای کاربردهای نیازمند عملکرد بالا، مانند لایه‌برداری بوروفن یا گرافن و نیز پراکنده‌سازی نانومواد، ایدئال هستند. کارکرد پیوسته با دامنه‌های تا 200µm در بهره‌برداری 24/7 به‌آسانی امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های بالاتر نیز سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند.
تمام تجهیزات در مرکز اصلی ما در آلمان طراحی و تولید می‌شوند. هر دستگاه فراصوتی پیش از تحویل به مشتری، با دقت و تحت بار کامل آزمایش می‌شود. ما برای رضایت مشتری تلاش می‌کنیم و ساختار تولیدمان برای برآورده‌کردن بالاترین الزامات تضمین کیفیت (برای مثال، گواهینامهٔ ISO) تنظیم شده است.
- کارایی بالا
- فناوری روز
- قابلیت اطمینان و استحکام
- ناپیوسته و درون‌خطی
- برای هر حجمی
- نرم‌افزار هوشمند
- قابلیت‌های هوشمند (برای مثال، ثبت داده‌ها)
- CIP (شست‌وشو در محل)
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- 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.
دانستنی‌ها
بوروفن
بوروفن یک تک‌لایهٔ اتمی بلوری از بور است؛ یعنی دگرشکلی دوبعدی از بور است که نانوورقهٔ بور نیز نامیده می‌شود. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فرد آن، بوروفن را به ماده‌ای ارزشمند برای کاربردهای صنعتی متعدد تبدیل می‌کنند.
خواص فیزیکی و شیمیایی استثنایی بوروفن شامل ویژگی‌های منحصربه‌فرد مکانیکی، حرارتی، الکترونیکی، نوری و ابررسانایی است.
این ویژگی‌ها امکان استفاده از بوروفن را در باتری‌های یون فلز قلیایی، باتری‌های Li-S، ذخیره‌سازی هیدروژن، ابرخازن‌ها، احیا و آزادسازی اکسیژن و نیز واکنش احیای الکتروشیمیایی CO2 فراهم می‌کنند. بوروفن به‌ویژه به‌عنوان مادهٔ آند باتری‌ها و مادهٔ ذخیره‌سازی هیدروژن توجه زیادی را به خود جلب کرده است. ظرفیت‌های ویژهٔ نظری بالا، رسانایی الکترونی و خواص انتقال یون، بوروفن را به ماده‌ای عالی برای آند باتری‌ها تبدیل می‌کنند. به‌دلیل ظرفیت بالای جذب سطحی هیدروژن روی بوروفن، این ماده پتانسیل چشمگیری برای ذخیره‌سازی هیدروژن دارد – با ظرفیت ذخیره‌سازی بیش از 15% وزن خود.
بوروفن برای ذخیره‌سازی هیدروژن
مواد دوبعدی (2D) مبتنی بر بور، به‌دلیل جرم اتمی پایین بور و پایداری فلزات قلیایی نشانده‌شده روی سطح که برهم‌کنش با H2 را تقویت می‌کنند، به‌عنوان محیط‌های ذخیره‌سازی H2 توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. نانوورقه‌های دوبعدی بوروفن که به‌آسانی با لایه‌برداری فراصوتی در فاز مایع به روش شرح‌داده‌شده در بالا سنتز می‌شوند، تمایل خوبی به اتم‌های فلزی مختلف نشانده‌شده روی سطح نشان داده‌اند؛ در این ساختارها امکان خوشه‌ای‌شدن اتم‌های فلز وجود دارد. با نشاندن فلزات مختلف مانند Li، Na، Ca و Ti روی چندریخت‌های مختلف بوروفن، چگالی‌های وزنی چشمگیری برای H2 در محدودهٔ 6 تا 15 wt % به دست آمده است که از الزام وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) برای ذخیره‌سازی6.5wt% H2 در وسایل نقلیه فراتر می‌رود. (رجوع کنید به Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در اندازه‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.