لایه برداری اولتراسونیک از Xenes
زنها نانومواد تک عنصری دو بعدی با خواص خارق العاده ای مانند مساحت سطح بسیار بالا، خواص فیزیکی / شیمیایی ناهمسانگرد از جمله هدایت الکتریکی برتر یا استحکام کششی هستند. لایه برداری اولتراسونیک یا لایه لایه برداری یک روش کارآمد و قابل اعتماد برای تولید نانوصفحات تک لایه 2D از مواد پیش ساز لایه ای است. لایه برداری اولتراسونیک در حال حاضر برای تولید نانوصفحات زنهای با کیفیت بالا در مقیاس صنعتی ایجاد شده است.
زنس – نانوساختارهای تک لایه
زنها نانومواد تک لایه (2D)، تک عنصری هستند که دارای ساختاری گرافن مانند، پیوند کووالانسی درون لایه ای و نیروهای ضعیف واندروالس بین لایه ها هستند. نمونه هایی برای موادی که بخشی از کلاس زنها هستند عبارتند از: بوروفن ، سیلیسن ، ژرمانن ، استانن ، فسفرن (فسفر سیاه) ، آرسنن ، بیسموتن و تلورن و آنتیمونن. نانومواد زنها به دلیل ساختار تک لایه دو بعدی خود، توسط یک سطح بسیار بزرگ و همچنین واکنش پذیری های شیمیایی و فیزیکی بهبود یافته ای مشخص می شوند. این ویژگی های ساختاری به نانو مواد xenes خواص فوتونی، کاتالیزوری، مغناطیسی و الکترونیکی چشمگیری می بخشد و این نانوساختارها را برای کاربردهای صنعتی متعدد بسیار جالب می کند. تصویر سمت چپ تصاویر SEM از بوروفن لایه برداری شده اولتراسونیک را نشان می دهد.
راکتور با 2000 وات ultrasonicator UIP2000hdT برای لایه برداری در مقیاس بزرگ نانوصفحات زن.
تولید نانومواد Xenes با استفاده از لایه لایه سازی اولتراسونیک
لایه برداری مایع نانومواد لایه ای: نانوصفحات دو بعدی تک لایه از مواد معدنی با ساختارهای لایه ای (به عنوان مثال، گرافیت) تولید می شوند که از لایه های میزبان انباشته شده تشکیل شده اند که انبساط گالری لایه به لایه را نشان می دهند یا در اثر درهم تنیده شدن یون ها و/یا حلال های خاص انبساط یا تورم را نشان می دهند. لایه برداری، که در آن فاز لایه ای به نانوصفحات شکافته می شود، معمولا به دلیل جاذبه های الکترواستاتیک به سرعت ضعیف شده بین لایه ها که پراکندگی کلوئیدی لایه ها یا ورق های دو بعدی را ایجاد می کند، تورم را همراهی می کند. (رجوع کنید به گنگ و همکاران، 2013) به طور کلی شناخته شده است که تورم لایه برداری را از طریق سونوگرافی تسهیل می کند و منجر به نانوصفحات با بار منفی می شود. پیش تصفیه شیمیایی نیز لایه برداری با استفاده از فراصوت در حلال ها را تسهیل می کند. به عنوان مثال ، عامل سازی امکان لایه برداری هیدروکسیدهای دوتایی لایه ای (LDHs) در الکل ها را فراهم می کند. (رجوع کنید به نیکولوسی و همکاران، 2013)
برای لایه برداری اولتراسونیک / لایه لایه شدن مواد لایه ای در معرض امواج مافوق صوت قدرتمند در یک حلال قرار می گیرند. هنگامی که امواج اولتراسوند با انرژی متراکم به مایع یا دوغاب متصل می شوند، کاویتاسیون اولتراسونیک آکوستیک رخ می دهد. کاویتاسیون اولتراسونیک با فروپاشی حباب های خلاء مشخص می شود. امواج اولتراسوند از طریق مایع حرکت می کنند و چرخه های فشار کم / فشار بالا را به طور متناوب ایجاد می کنند. حباب های خلاء دقیقه ای در طول یک چرخه فشار کم (نادر) بوجود می آیند و در چرخه های مختلف فشار کم / فشار بالا رشد می کنند. هنگامی که حباب کاویتاسیون به نقطه ای می رسد که نمی تواند انرژی بیشتری را جذب کند، حباب به شدت منفجر می شود و شرایط محلی بسیار متراکم انرژی ایجاد می کند. یک نقطه داغ حفره ای توسط فشارها و دمای بسیار بالا، فشارها و دیفرانسیل های دما مربوطه، جت های مایع پرسرعت و نیروهای برشی تعیین می شود. این نیروهای سونومکانیکی و سونوشیمیایی حلال را بین لایه های انباشته شده و ساختارهای لایه ای و کریستالی را از هم می پاشند و در نتیجه نانوصفحات لایه برداری شده تولید می کنند. دنباله تصویر زیر نشان می دهد فرایند لایه برداری توسط حفره اولتراسونیک کاویتاسیون.
دنباله ای با سرعت بالا (از a تا f) از قاب هایی که لایه برداری سونومکانیکی یک پوسته گرافیت در آب را با استفاده از UP200S، یک اولتراسونیک 200 وات با سونوترود 3 میلی متری. فلش ها محل شکاف (لایه برداری) را با حباب های کاویتاسیون که به شکاف نفوذ می کنند نشان می دهند.
© تیورنینا و همکاران 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
مدل سازی نشان داده است که اگر انرژی سطحی حلال مشابه مواد لایه ای باشد، اختلاف انرژی بین حالت لایه برداری شده و تجمعی مجدد بسیار کم خواهد بود و نیروی محرکه تجمع مجدد را از بین می برد. در مقایسه با روش های همزن و برش جایگزین، همزن های اولتراسونیک منبع انرژی موثرتری را برای لایه برداری فراهم می کنند که منجر به نمایش لایه برداری به کمک یون TaS می شودH2S، NbSH2Sو MoSH2S، و همچنین اکسیدهای لایه ای. (رجوع کنید به نیکولوسی و همکاران، 2013)
تصاویر TEM از نانوصفحات لایه برداری مایع التراسونیک: (A) نانوورق گرافن لایه برداری با استفاده از فراصوت در حلال N-methyl-pyrrolidone. (B) یک نانوورق h-BN لایه برداری با استفاده از فراصوت در حلال ایزوپروپانول. (ج) یک نانو ورق MoS2 لایه برداری شده با استفاده از فراصوت در محلول سورفکتانت آبی.
(مطالعه و تصاویر: ©نیکولوسی و همکاران، 2013)
پروتکل های لایه برداری مایع اولتراسونیک
لایه برداری اولتراسونیک و لایه شدن زنها و سایر نانومواد تک لایه به طور گسترده در تحقیقات مورد مطالعه قرار گرفته و با موفقیت به مرحله تولید صنعتی منتقل شد. در زیر ما به شما ارائه پروتکل های لایه برداری انتخاب شده با استفاده از فراصوت.
لایه برداری التراسونیک از نانو فسفرن
فسفرن (همچنین به عنوان فسفر سیاه، BP شناخته می شود) یک ماده لایه ای دو بعدی و تک عنصری است که از اتم های فسفر تشکیل شده است.
در تحقیقات Passaglia و همکاران (2018) ، تهیه سوسپانسیون پایدار فسفرن - متیل متاکریلات توسط لایه برداری فاز مایع به کمک فراصوت (LPE) bP در حضور MMA و به دنبال پلیمریزاسیون رادیکال نشان داده شده است. متیل متاکریلات (MMA) یک مونومر مایع است.
پروتکل لایه برداری مایع اولتراسونیک فسفرن
سوسپانسیون های MMA_bPn، NVP_bPn و Sty_bPn توسط LPE در حضور تنها مونومر به دست آمد. در یک روش معمولی، ∼5 میلی گرم bP که با دقت در یک ملات خرد شده بود، در یک لوله test قرار داده شد و سپس مقدار وزنی MMA، Sty یا NVP اضافه شد. تعلیق مونومر bP برای فراصوت شد 90 دقیقه با استفاده از هموژنایزر مافوق صوت Hielscher UP200St (200W، 26kHz)، مجهز به sonotrode S26d2 (قطر نوک: 2 میلی متر). دامنه اولتراسونیک در 50 درصد با 7 وات = P ثابت نگه داشته شد. در همه موارد، از حمام یخ برای بهبود اتلاف گرما استفاده شد. سپس سیستم تعلیق های MMA_bPn، NVP_bPn و Sty_bPn نهایی به مدت 15 دقیقه با N2 آغشته شد. تمام سوسپانسیون ها توسط DLS تجزیه و تحلیل شدند و مقادیر rH را واقعا نزدیک به DMSO_bPn نشان دادند. به عنوان مثال ، سوسپانسیون MMA_bPn (با داشتن حدود 1٪ از محتوای bP) با rH = 512 ± 58 نانومتر مشخص شد.
در حالی که سایر مطالعات علمی در مورد فسفرن گزارش زمان فراصوت چند ساعت با استفاده از پاک کننده اولتراسونیک، حلال های نقطه جوش بالا، و راندمان کم، تیم تحقیقاتی Passaglia یک پروتکل لایه برداری مافوق صوت بسیار کارآمد را با استفاده از یک اولتراسونیک نوع پروب (یعنی Hielscher اولتراسونیک مدل UP200St).
لایه برداری اولتراسونیک نانوصفحات تک لایه
برای مطالعه جزئیات بیشتر و پروتکل های لایه برداری برای نانوصفحات بوروفن و اکسید روتنیوم، لطفا لینک های زیر را دنبال کنید:
بوروفن: برای پروتکل های فراصوت و نتایج لایه برداری بوروفن اولتراسونیک ، لطفا اینجا را کلیک کنید!
RuO2: برای پروتکل های فراصوت و نتایج لایه برداری نانوورق اکسید روتنیوم مافوق صوت، لطفا اینجا را کلیک کنید!
لایه برداری التراسونیک از چند لایه نانوصفحات سیلیس
نانوصفحات سیلیس لایه برداری شده چند لایه از ورمیکولیت طبیعی (Verm) به روش لایه برداری اولتراسونیک تهیه شدند. برای سنتز نانوصفحات سیلیس لایه برداری شده از روش لایه برداری فاز مایع زیر استفاده شد: 40 میلی گرم نانوصفحات سیلیس در 40 میلی لیتر اتانول مطلق پراکنده شدند. پس از آن، مخلوط برای 2 ساعت با استفاده از پردازنده اولتراسونیک Hielscher UP200St، مجهز به یک سونوترود 7 میلی متر اولتراسونیک شد. دامنه امواج فراصوت در 70 درصد ثابت نگه داشته شد. برای جلوگیری از گرم شدن بیش از حد از حمام یخ استفاده شد. SN های لایه برداری نشده با سانتریفیوژ در سرعت 1000 دور در دقیقه به مدت 10 دقیقه حذف شدند. در نهایت، محصول یک شب در دمای اتاق تحت خلاء تخلیه و خشک شد. (رجوع کنید به گوئو و همکاران، 2022)
لایه برداری اولتراسونیک نانوصفحات تک لایه با Ultrasonicator UP400St.
لایه برداری مایع اولتراسونیک برای تولید نانوصفحات xenes بسیار موثر است. تصویر 1000 وات قدرتمند را نشان می دهد UIP1000hdT.
پروب ها و راکتورهای اولتراسوند با قدرت بالا برای لایه برداری نانوصفحات Xenes
Hielscher مافوق صوت طراحی، تولید، و توزیع ultrasonicators قوی و قابل اعتماد در هر اندازه. از دستگاه های اولتراسونیک آزمایشگاه جمع و جور به پروب اولتراسونیک صنعتی و راکتورها، Hielscher دارای سیستم مافوق صوت ایده آل برای فرآیند شما. با تجربه طولانی مدت در کاربردهایی مانند سنتز و پراکندگی نانومواد، کارکنان آموزش دیده ما مناسب ترین تنظیمات را برای نیازهای شما به شما توصیه می کنند. پردازنده های اولتراسونیک صنعتی Hielscher به عنوان اسب کار قابل اعتماد در تاسیسات صنعتی شناخته شده. قادر به ارائه دامنه های بسیار بالا، مافوق صوت Hielscher ایده آل برای کاربردهای با کارایی بالا مانند سنتز xenes و دیگر نانومواد تک لایه 2D مانند بوروفن، فسفرن یا گرافن و همچنین پراکندگی قابل اعتماد از این نانوساختارها هستند.
سونوگرافی فوق العاده قدرتمند: شرکت Hielscher Ultrasonics
’ پردازنده های اولتراسونیک صنعتی می توانند دامنه های بسیار بالایی را ارائه دهند. دامنه های تا 200 میکرومتر را می توان به راحتی به طور مداوم در عملیات 24/7 اجرا کرد. برای دامنه های حتی بالاتر ، سونوترودهای اولتراسونیک سفارشی در دسترس هستند.
بالاترین کیفیت – طراحی و ساخت آلمان: کلیه تجهیزات در دفتر مرکزی ما در آلمان طراحی و ساخته می شود. قبل از تحویل به مشتری، هر دستگاه اولتراسونیک با دقت تحت بار کامل آزمایش می شود. ما برای رضایت مشتری تلاش می کنیم و تولید ما به گونه ای طراحی شده است که بالاترین تضمین کیفیت (به عنوان مثال، گواهینامه ISO) را برآورده کند.
جدول زیر به شما نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی مافوق صوت ما می دهد:
| حجم دسته ای | نرخ جریان | دستگاه های توصیه شده |
|---|---|---|
| 1 تا 500 میلی لیتر | 10 تا 200 میلی لیتر در دقیقه | UP100H |
| 10 تا 2000 میلی لیتر | 20 تا 400 میلی لیتر در دقیقه | تا 200 هرتز، UP400St |
| 0.1 تا 20 لیتر | 0.2 تا 4 لیتر در دقیقه | UIP2000hdT |
| 10 تا 100 لیتر | 2 تا 10 لیتر در دقیقه | UIP4000hdT |
| ن.ا. | 10 تا 100 لیتر در دقیقه | UIP16000 |
| ن.ا. | بزرگتر | خوشه ای از UIP16000 |
تماس با ما! / از ما بپرسید!
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا برای مخلوط کردن برنامه های کاربردی، پراکندگی، امولسیون و استخراج در آزمایشگاه، خلبان و مقیاس صنعتی.
ادبیات / منابع
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Passaglia, Elisa; Cicogna, Francesca; Costantino, Federica; Coiai, Serena; Legnaioli, Stefano; Lorenzetti, G.; Borsacchi, Silvia; Geppi, Marco; Telesio, Francesca; Heun, Stefan; Ienco, Andrea; Serrano-Ruiz, Manuel; Peruzzini, Maurizio (2018): Polymer-Based Black Phosphorus (bP) Hybrid Materials by in Situ Radical Polymerization: An Effective Tool To Exfoliate bP and Stabilize bP Nanoflakes. Chemistry of Materials 2018.
- Zunmin Guo, Jianuo Chen, Jae Jong Byun, Rongsheng Cai, Maria Perez-Page, Madhumita Sahoo, Zhaoqi Ji, Sarah J. Haigh, Stuart M. Holmes (2022): High-performance polymer electrolyte membranes incorporated with 2D silica nanosheets in high-temperature proton exchange membrane fuel cells. Journal of Energy Chemistry, Volume 64, 2022. 323-334.
- Sukpirom, Nipaka; Lerner, Michael (2002): Rapid exfoliation of a layered titanate by ultrasonic processing. Materials Science and Engineering A-structural Materials Properties Microstructure and Processing 333, 2002. 218-222.
- Nicolosi, Valeria; Chhowalla, Manish; Kanatzidis, Mercouri; Strano, Michael; Coleman, Jonathan (2013): Liquid Exfoliation of Layered Materials. Science 340, 2013.
حقایقی که ارزش دانستن دارند
فسفرن
فسفرن (همچنین نانوصفحات / نانو فلکس های فسفر سیاه) تحرک بالایی از 1000 سانتی متر مربع V-1 s-1 برای نمونه ای با ضخامت 5 نانومتر با نسبت ON/OFF جریان بالا 105 از خود نشان می دهد. به عنوان یک نیمه هادی نوع p، فسفرن دارای شکاف باند مستقیم 0.3 الکترون ولت است. علاوه بر این، فسفرن دارای یک شکاف باند مستقیم است که تقریبا تا 2 الکترون ولت برای تک لایه افزایش می یابد. این ویژگی های مادی، نانوصفحات فسفر سیاه را به ماده ای امیدوارکننده برای کاربردهای صنعتی در دستگاه های نانوالکترونیک و نانوفوتونی تبدیل می کند که کل طیف مرئی را پوشش می دهد. (رجوع کنید به Passaglia و همکاران، 2018) یکی دیگر از کاربردهای بالقوه در کاربردهای زیست پزشکی نهفته است ، زیرا سمیت نسبتا کم استفاده از فسفر سیاه را بسیار جذاب می کند.
در کلاس مواد دو بعدی، فسفرن اغلب در کنار گرافن قرار می گیرد، زیرا برخلاف گرافن، فسفرن دارای یک شکاف باند بنیادی غیر صفر است که می تواند توسط کرنش و تعداد لایه های یک پشته تعدیل شود.
بوروفن
بوروفن یک تک لایه اتمی کریستالی از بور است، یعنی یک آلوتروپ دو بعدی از بور است (که به آن نانوورق بور نیز گفته می شود). ویژگی های فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد آن، بوروفن را به ماده ای ارزشمند برای کاربردهای صنعتی متعدد تبدیل می کند.
خواص فیزیکی و شیمیایی استثنایی بوروفن شامل جنبه های منحصر به فرد مکانیکی، حرارتی، الکترونیکی، نوری و ابررسانا است.
این امکان استفاده از بوروفن را برای کاربردها در باتری های یونی فلز قلیایی، باتری های Li-S، ذخیره هیدروژن، ابرخازن، کاهش و تکامل اکسیژن و همچنین واکنش کاهش الکتریکی CO2 باز می کند. به ویژه علاقه زیادی به بوروفن به عنوان یک ماده آند برای باتری ها و به عنوان ماده ذخیره سازی هیدروژن وجود دارد. با توجه به ظرفیت های خاص نظری بالا، هدایت الکترونیکی و خواص انتقال یونی، بوروفن به عنوان ماده آند عالی برای باتری ها واجد شرایط است. با توجه به ظرفیت جذب بالای هیدروژن به بوروفن ، پتانسیل زیادی برای ذخیره هیدروژن ارائه می دهد - با ظرفیت stroage بیش از 15٪ از وزن آن.
اطلاعات بیشتر در مورد سنتز اولتراسونیک و پراکندگی بوروفن!
Hielscher مافوق صوت تولید کننده هموژنایزرهای مافوق صوت با کارایی بالا از ازمایشگاه ها تا اندازه صنعتی.