Borofeenin ultraäänisynteesi teollisessa mittakaavassa
Borofeenia, boorin kaksiulotteista nanorakenteista johdannaista, voidaan syntetisoida tehokkaasti yksinkertaisella ja edullisella ultraäänieksfoliaatiolla. Nestefaasissa tapahtuvalla ultraäänieksfoliaatiolla voidaan tuottaa suuria määriä korkealaatuisia borofeeninanolevyjä. Ultraäänieksfoliaatiota käytetään laajalti 2D-nanomateriaalien (esim. grafeenin) valmistukseen, ja sen tunnettuja etuja ovat nanolevyjen korkea laatu, suuret saannot, nopea ja yksinkertainen käyttö sekä kokonaistehokkuus.
Ultraäänieksfoliaatio borofeenin valmistusmenetelmänä
Ultraäänellä aikaansaatua nestefaasieksfoliaatiota käytetään laajalti 2D-nanolevyjen valmistukseen erilaisista bulkkimuotoisista lähtöaineista, kuten grafiitista (grafeeni) ja boorista (borofeeni). Kemialliseen eksfoliaatioon verrattuna ultraääniavusteista nestefaasieksfoliaatiota pidetään lupaavampana menetelmänä 0D- ja 2D-nanorakenteiden, kuten boorikvanttipisteiden (BQD) ja borofeenin, valmistukseen. (vrt. Wang et al., 2021)
Vasemmalla oleva kaavio esittää muutamakerroksisten 2D-borofeenilevyjen matalan lämpötilan nestefaasieksfoliaatiota ultraäänellä. (Tutkimus ja kuva: ©Lin et al., 2021.)
Sonokemiallinen reaktori, jossa on 2 000 watin teollinen ultraääniprosessori UIP2000hdT borofeenin suuren mittakaavan eksfoliaatiota varten.
Tapaustutkimuksia borofeenin ultraäänieksfoliaatiosta
Tehoultraäänellä nestefaasiprosessissa tehtävää eksfoliaatiota ja delaminaatiota on tutkittu laajalti ja sovellettu menestyksekkäästi borofeeniin sekä muihin boorijohdannaisiin, kuten boorikvanttipisteisiin, boorinitridiin ja magnesiumdiboridiin.
α-borofeeni
Göktuna ja Taşaltın (2021) valmistivat tutkimuksessaan α-borofeenia yksinkertaisella ja edullisella ultraäänieksfoliaatiolla. Ultraäänellä syntetisoidut borofeeninanolevyt ovat kiderakenteeltaan α-borofeenia.
Menettely: 100 mg boorimikrohiukkasia ultraäänikäsiteltiin 100 ml:ssa DMF:ää 200 W:n teholla (esim. käyttäen laitetta UP200St ja sonotrodia S26d14) 4 h ajan kaapissa, jossa typen (N2) virtausta säädeltiin hapettumisen estämiseksi nestefaasissa tapahtuvan ultraäänieksfoliaation aikana. Eksfolioitujen boorihiukkasten liuosta sentrifugoitiin nopeuksilla 5 000 rpm ja 12 000 rpm, kummallakin 15 min ajan, minkä jälkeen borofeeni kerättiin varovasti ja kuivattiin tyhjiössä 4 h ajan 50ºC:ssa. (vrt. Göktuna ja Taşaltın, 2021)
Kaaviokuva muutamakerroksisesta borofeenista, joka on eksfolioitu sondin ultraäänellä avustetulla solvotermisellä käsittelyllä.
Tutkimus ja kuva: ©Zhang et al., 2020
Muutamakerroksinen borofeeni
Zhang et al. (2020) kuvaavat asetonissa tehtävän solvotermisen nestefaasieksfoliaation, joka mahdollistaa korkealaatuisen, vaakasuuntaisilta mitoiltaan suuren borofeenin valmistuksen. Asetonin turvottavaa vaikutusta hyödyntäen lähtöaineena käytetty boorijauhe kostutettiin ensin asetonissa. Sen jälkeen kostutettua boorilähtöainetta käsiteltiin edelleen solvotermisesti asetonissa 200ºC:ssa, minkä jälkeen sitä käsiteltiin sondityyppisellä ultraäänilaitteella 225 W:n teholla 4 h ajan. Lopuksi saatiin borofeenia, jossa oli muutama boorikerros ja jonka vaakasuuntainen koko oli jopa 5,05 mm. Asetonissa tehtävää solvotermisesti avustettua nestefaasieksfoliaatiota voidaan käyttää vaakasuuntaisilta mitoiltaan suurten ja korkealaatuisten boorinanolevyjen valmistukseen. (vrt. Zhang et al., 2020)
Kun ultraäänellä eksfolioidun borofeenin XRD-kuviota verrataan bulkkimuotoisen boorilähtöaineen kuvioon, voidaan havaita samankaltainen XRD-kuvio. Useimmat tärkeimmistä diffraktiohuipuista voidaan indeksoida b-romboedriselle boorille, mikä viittaa siihen, että kiderakenne säilyy lähes muuttumattomana ennen eksfoliaatiokäsittelyä ja sen jälkeen.
Pienen erotuskyvyn (a) ja suuren erotuskyvyn (b) SEM-kuvia muutamakerroksisesta borofeenista, joka on saatu ultraääniavusteisella solvotermisellä eksfoliaatiolla asetonissa
Tutkimus ja kuva: ©Zhang et al., 2020
XRD-kuvioita (a) ja Raman-spektrejä (b) käsittelemättömästä bulkkimuotoisesta boorista ja muutamakerroksisesta borofeenista, joka on saatu sondin ultraäänellä avustetulla solvotermisellä eksfoliaatiolla.
Tutkimus ja kuva: ©Zhang et al., 2020
Boorikvanttipisteiden sonokemiallinen synteesi
Hao et al. (2020) valmistivat menestyksekkäästi suuressa mittakaavassa tasalaatuisia kiteisiä puolijohdeboorikvanttipisteitä (BQD) paisutetusta boorijauheesta asetonitriilissä, joka on voimakkaasti polaarinen orgaaninen liuotin, käyttämällä tehokasta sondityyppistä ultraäänilaitetta (esim. UP400St, UIP500hdT tai UIP1000hdT). Syntetisoitujen boorikvanttipisteiden sivusuuntainen koko 2,46 ±0,4 nm ja paksuus 2,81 ±0,5 nm.
Menettely: Tyypillisessä boorikvanttipisteiden valmistuksessa kolmikaulakolviin lisättiin ensin 30 mg boorijauhetta ja sitten 15 mL asetonitriiliä ennen ultraäänikäsittelyä. Eksfoliaatio tehtiin 400 W:n lähtöteholla (esim. käyttämällä laitetta UIP500hdT), 20 kHz:n taajuudella ja 60 min ultraäänikäsittelyajalla. Liuoksen ylikuumenemisen välttämiseksi ultraäänikäsittelyn aikana lämpötila pidettiin vakiona jäähdyttämällä jäähauteessa tai laboratoriojäähdyttimellä. Saatua liuosta sentrifugoitiin 1 500 rpm:n nopeudella 60 min ajan. Boorikvanttipisteitä sisältävä supernatantti otettiin varovasti talteen. Kaikki kokeet tehtiin huoneenlämpötilassa. (vrt. Hao et al., 2020)
Myös Wang et al. (2021) valmistivat tutkimuksessaan boorikvanttipisteitä nestefaasissa tapahtuvalla ultraäänieksfoliaatiolla. He saivat monodisperssejä boorikvanttipisteitä, joilla oli kapea kokojakauma, erinomainen dispergoituvuus, hyvä stabiilius IPA-liuoksessa ja ”two-photo”-fluoresenssi.
TEM-kuvia eri ultraääniolosuhteissa valmistetuista BQD-kvanttipisteistä ja niiden vastaavat läpimittajakaumat. (a) TEM-kuva BQDs-2-kvanttipisteistä, jotka syntetisoitiin 400 W:n teholla 2 h ajan. (b) TEM-kuva BQDs-3-kvanttipisteistä, jotka syntetisoitiin 550 W:n teholla 1 h ajan. (c) TEM-kuva BQDs-3-kvanttipisteistä, jotka syntetisoitiin 400 W:n teholla 4 h ajan. (d) Kuvasta (a) saatu kvanttipisteiden läpimittajakauma. (e) Kuvasta (b) saatu kvanttipisteiden läpimittajakauma. (f) Kuvasta (c) saatu kvanttipisteiden läpimittajakauma.
Tutkimus ja kuva: ©Hao et al., 2020
Magnesiumdiboridinanolevyjen ultraäänieksfoliaatio
Eksfoliaatio tehtiin suspendoimalla 450 mg magnesiumdiboridijauhetta
(MgB2) (noin 100 mesh / 149 mikrometriä) 150 ml:aan vettä ja altistamalla se ultraäänikäsittelylle 30 minuutin ajan. Ultraäänieksfoliaatio voidaan tehdä sondityyppisellä ultraäänilaitteella, kuten UP200Ht tai UP400St, käyttäen 30 %:n amplitudia ja jaksoittaista toimintatilaa, jossa käytetään 10 sekunnin päälle/pois-pulsseja. Ultraäänieksfoliaation tuloksena saadaan syvänmusta suspensio. Musta väri voi johtua alkuperäisen MgB2-jauheen väristä.
Suurnopeuskuvasarja (a–f), joka havainnollistaa grafiittihiutaleen sonomekaanista eksfoliaatiota vedessä käyttäen laitetta UP200S, 200 W:n ultraäänilaitetta, jossa on 3 mm:n sonotrodi. Nuolet osoittavat halkeamiskohdan (eksfoliaation), jossa kavitaatiokuplat tunkeutuvat halkeamaan.
© Tyurnina et al. 2020
Tehokkaat ultraäänilaitteet borofeenin eksfoliaatioon kaikissa mittakaavoissa
Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja toimittaa kestäviä ja luotettavia ultraäänilaitteita kaikissa kokoluokissa. Kompakteista laboratorion ultraäänilaitteista teollisiin ultraäänisondeihin ja reaktoreihin – Hielscher tarjoaa prosessiisi ihanteellisen ultraäänijärjestelmän. Hyvin koulutettu henkilöstömme hyödyntää pitkäaikaista kokemustaan esimerkiksi nanomateriaalien synteesistä ja dispergoinnista ja suosittelee vaatimuksiisi parhaiten sopivaa laitekokoonpanoa. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit tunnetaan teollisuuslaitosten luotettavina työjuhtina. Hielscherin ultraäänilaitteet pystyvät tuottamaan erittäin suuria amplitudeja, joten ne soveltuvat ihanteellisesti suurta suorituskykyä vaativiin sovelluksiin, kuten borofeenin ja grafeenin eksfoliaatioon sekä nanomateriaalien dispergointiin. Jopa 200 µm:n amplitudeja voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-käytössä. Vielä suurempia amplitudeja varten on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Kaikki Hielscherin ultraäänilaitteet ja lisävarusteet suunnitellaan ja valmistetaan Saksan päätoimipaikassa. Jokainen ultraäänilaite testataan huolellisesti täydellä kuormalla ennen asiakkaalle toimitusta. Tavoittelemme asiakastyytyväisyyttä, ja tuotantomme on järjestetty täyttämään korkeimmat laadunvarmistusvaatimukset (esim. ISO-sertifiointi).
- korkea hyötysuhde
- uusinta teknologiaa
- luotettavuus ja kestävyys
- erä- ja linjakäsittely
- kaikille tilavuuksille
- älykäs ohjelmisto
- älykkäät ominaisuudet (esim. tietojen kirjaaminen)
- CIP (puhdistus paikallaan)
Alla oleva taulukko antaa suuntaa ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erätilavuus | Tilavuusvirta | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1–500 mL | 10–200 mL/min | UP100H |
| 10–2 000 mL | 20–400 mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20 L | 0,2–4 L/min | UIP2000hdT |
| 10–100 L | 2–10 L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | laiteryhmä, joka koostuu laitteista UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Hielscher Ultrasonics valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita sekoitus-, dispergointi-, emulgointi- ja uuttosovelluksiin laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.
Kirjallisuus / Lähteet
- 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.
Hyödyllistä tietoa
Mitä borofeeni on?
Borofeeni on boorin kiteinen, yhden atomikerroksen paksuinen rakenne eli boorin kaksiulotteinen allotrooppi (jota kutsutaan myös boorinanolevyksi). Sen ainutlaatuiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet tekevät borofeenista arvokkaan materiaalin lukuisiin teollisiin sovelluksiin.
Borofeenin poikkeuksellisiin fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin kuuluvat ainutlaatuiset mekaaniset, termiset, elektroniset, optiset ja suprajohtavat ominaisuudet.
Tämä avaa mahdollisuuksia käyttää borofeenia alkalimetalli-ioniakuissa, Li-S-akuissa, vedyn varastoinnissa, superkondensaattoreissa, hapen pelkistyksessä ja muodostumisessa sekä CO2:n sähkökemiallisessa pelkistysreaktiossa. Erityisen suurta kiinnostusta herättää borofeenin käyttö akkujen anodimateriaalina ja vedyn varastointimateriaalina. Suurten teoreettisten ominaiskapasiteettiensa, sähkönjohtavuutensa ja ioninkuljetusominaisuuksiensa ansiosta borofeeni soveltuu erinomaiseksi akkujen anodimateriaaliksi. Koska borofeenilla on suuri vedyn adsorptiokapasiteetti, se tarjoaa huomattavia mahdollisuuksia vedyn varastointiin – varastointikapasiteetti on yli 15 % sen painosta.
Miten borofeenia käytetään vedyn varastoinnissa?
Kaksiulotteiset (2D) booripohjaiset materiaalit herättävät paljon huomiota H2:n varastointimateriaaleina boorin pienen atomimassan ja pinnalle kiinnitettyjen alkalimetallien stabiiliuden vuoksi, sillä nämä tehostavat vuorovaikutuksia H2:n kanssa. Kaksiulotteiset borofeeninanolevyt, joita voidaan helposti syntetisoida edellä kuvatulla nestefaasissa tapahtuvalla ultraäänieksfoliaatiolla, ovat osoittaneet hyvää affiniteettia erilaisiin pintaan kiinnitettäviin metalliatomeihin, jotka voivat muodostaa atomiryppäitä. Kiinnittämällä erilaisia metalleja, kuten Li, Na, Ca ja Ti, borofeenin eri polymorfien pinnoille on saavutettu huomattavia H2:n gravimetrisiä tiheyksiä, jotka vaihtelevat välillä 6–15 wt % ja ylittävät Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) ajoneuvossa tapahtuvaa varastointia koskevan vaatimuksen 6,5 wt% H2. (vrt. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics valmistaa suorituskykyisiä ultraäänihomogenisaattoreita laboratoriokokoluokasta aina teolliseen kokoluokkaan asti.