Ultraääni borofeenisynteesi teollisessa mittakaavassa
Borofeeni, kaksiulotteinen boorin nanorakenteinen johdannainen, voidaan syntetisoida tehokkaasti helpon ja edullisen ultraäänikuorinnan avulla. Ultraääni nestefaasi kuorintaa voidaan käyttää tuottamaan suuria määriä korkealaatuisia borofeeni-nanolevyjä. Ultraäänikuorintatekniikkaa käytetään laajalti 2D-nanomateriaalien (esim. grafeenin) tuottamiseen, ja se tunnetaan hyvin laadukkaiden nanolevyjen, korkean tuoton, nopean ja helpon toiminnan sekä yleisen tehokkuuden eduista.
Ultraääni kuorintamenetelmä borofeenivalmisteluun
Ultraäänellä ohjattua nestefaasikuorintaa käytetään laajalti 2D-nanolevyjen valmistamiseen erilaisista irtotavarana olejista, mukaan lukien grafiitti (grafeeni), boori (borofeeni). Kemialliseen kuorintatekniikkaan verrattuna ultraäänellä avustettua nestefaasikuorintaa pidetään lupaavammana strategiana valmistaa 0D- ja 2D-nanorakenteita, kuten boorikvanttit (BQD) ja borofeeni. (vrt. Wang et ai., 2021)
Jäljellä oleva järjestelmä näyttää 2D-kerroksisten borofeenilevyjen ultraääni matalan lämpötilan nestekuorintaprosessin. (Tutkimus ja kuva: ©Lin et ai., 2021.)
Sonokemiallinen reaktori, joka on varustettu 2000 wattia teollinen ultraääniprosessori UIP2000hdT laajamittaiseen borofeenikuorintaan.
Ultraääni borofeenin kuorinnan tapaustutkimukset
Kuorintaa ja delaminaatiota teho-ultraäänellä nestefaasiprosessissa on tutkittu laajalti ja sovellettu onnistuneesti borofeeniin ja muihin boorijohdannaisiin, kuten boorikvantti pisteisiin, boorinitridiin tai magnesiumdiboridiin.
α-Borofeeni
Göktunan ja Taşaltınin (2021) tekemässä tutkimuksessa α borofeeni valmistettiin helpon ja edullisen ultraäänikuorinnan avulla. Ultraäänellä syntetisoitujen borofeeni-nanolevyjen α borofeeni kiteinen rakenne.
Tutkimus: 100 mg boorimikropartikkeleita sonikoitiin 100 ml:ssa DMF:ää 200 W:n tekniikalla (esim. up200St ja S26d14) 4h:ssa typessä (N2) virtausohjattu matkustamo hapettumisen estämiseksi ultraääninestefaasikuorintaprosessin aikana. Kuorittujen boorihiukkasten liuos sentrifugoitiin 5000 rpm: llä ja 12,000 rpm: llä 15 minuutin ajan, sitten borofeeni kerätään ja kuivattiin huolellisesti tyhjiössä 4h: n nopeudella 50 ° C: ssa (vrt.
Kaavamainen kuva borofeenista, jossa on vähän kerroksia, jotka on kuorittu anturin ultraääniavusteisella solvoteraalisella käsittelyprosessilla.
Tutkimus ja kuva: ©Zhang et ai., 2020
Harvakerroksinen borofeeni
Zhang et al. (2020) raportoi asetoni solvotermisen nestefaasin kuorintatekniikan, joka mahdollistaa korkealaatuisen borofeenin tuotannon suurella vaakasuoralla koolla. Asetonin turvotusvaikutuksen avulla boorijauheen esiaste kostutettiin ensin asetonissa. Sitten kostunut boorien esiaste hoidettiin edelleen asetonissa 200 ° C: ssa, minkä jälkeen sonikaatio anturityyppisellä sonikaattorilla 225 W: n nopeudella 4 tunnin ajan. Borofeeni, jossa oli muutama boorikerros ja vaakasuora koko jopa 5,05 mm, saatiin lopulta. Asetonin solvotermiavusteista nestefaasin kuorintatekniikkaa voidaan käyttää boorien nanolevyjen valmistamiseen, joiden vaakakoko on suuri ja korkealaatuinen. (vrt. Zhang ym., 2020)
Kun ultraäänellä kuoriuntuneen borofeenin XRD-mallia verrataan irtojuorin esiasteisiin, voidaan havaita samanlainen XRD-kuvio. Suurin osa suurimmista diffraktiohuipuista voidaan indeksoida b-rhombohedral booriin, mikä viittaa siihen, että kiteinen rakenne on lähes säilynyt ennen kuorintakäsittelyä ja sen jälkeen.
SEM-kuvat, joissa on matalaresoluutioinen (a) ja korkearesoluutioinen (b) boofeenia, joissa on muutama kerros, jotka on saatu ultraäänellä avustetulla solvotermisella kuorinnalla asetonissa
Tutkimus ja kuva: ©Zhang et ai., 2020
XRD-kuviot (a) ja Raman-spektrit (b) käsittelemätöntä irtojuoria ja booriinia, joissa on vähän kerroksia, jotka on saatu anturin ultraääniavusteisella solvoteraalisella kuorinnalla.
Tutkimus ja kuva: ©Zhang et ai., 2020
Boorin kvantti-3 000 000 000 000 000 000 00
Hao et al. (2020) valmisti onnistuneesti laajamittaisia ja yhtenäisiä kiteisiä puolijohde boori-boorin kvanttipisteitä (BQD) paisutetusta boorijauheesta asetonitriilissä, erittäin polaarisessa orgaanisessa liuottimessa, käyttäen voimakasta koetintyyppistä ultraäänilaitetta (esim. UP400St, UIP500hdT tai UIP1000hdT). Syntetisoitu boori kvantti piste 2,46 ±0,4 nm sivusuunnassa ja 2,81 ±0,5 nm paksuudessa.
Protokolla: Tyypillisessä boorikvanttipistevalmisteessa 30 mg boorijauhetta lisättiin ensin kolmikaulaiseen pulloon ja sitten pulloon lisättiin 15 ml asetonitriliä ennen ultraääniprosessia. Kuorinta suoritettiin 400 W:n lähtöteholla (esim. UIP500hdT), 20 kHz: n taajuus ja ultraääniaika 60 min. Liuoksen ylikuumenemisen välttämiseksi ultraäänen aikana käytettiin jääkylvyllä tai laboratoriojäähdyttimellä jäähdytystä tasaiseen lämpötilaan. Tuloksena oleva liuos sentrifugoitiin 1500 rpm: llä 60 minuutin ajan. Supernatantti sisälsi boorikvanttit, jotka uutettiin varovasti. Kaikki kokeet tehtiin huoneenlämmössä. (vrt. Hao et ai., 2020)
Wang et al. (2021) -tutkimuksessa tutkija valmistaa boorikvanttit myös ultraääninestefaasin kuorintatekniikalla. He saivat monodispersed boori kvanttipisteen kapealla koolla, erinomaisen dispersiotasen, korkean vakauden IPA-liuoksessa ja kaksivalofluoresenssin.
TEM-kuvat ja vastaava halkaisijan jakautuminen BQD: t, jotka on valmistettu eri ultraääniolosuhteissa. a) TEM-kuva BQD-2:sta syntetisoituna 400 W:n nopeudella 2 tunnin ajan. e) b alakohdan mukaisesti hankittujen kvanttitikamien halkaisijajakauma. f) kvanttien halkaisijajakauma c:stä.
Tutkimus ja kuva: ©Hao et ai., 2020
Magnesiumdiboridi-nanolevyjen ultraääni kuorinta
Kuorintaprosessi suoritettiin keskeyttämällä 450 mg magnesiumdiboridia
(MgB2) jauhe (noin 100 silmäkokoa / 149 mikronia) 150 ml: ssa vettä ja altistaa sen ultrasonicationille 30 minuutin ajan. Ultraäänikuorinta voidaan suorittaa anturityyppisellä ultraäänilaitteella, kuten Uf200 ः t tai UP400St amplitudilla 30 % ja syklitilalla 10 sekuntia on/off-pulssit. Ultraääni kuorinta johtaa tumman mustaan suspensioon. Musta väri johtuu koskemattoman MgB2-jauheen väristä.
Nopea sarja (a:sta f:hen), jotka kuvaavat grafiittihiutaleen sonomekaanista kuorintaa vedessä UP200S, 200W ultrasonicator 3mm sonotrode. Nuolet osoittavat halkaisupaikan (kuorinta) kavitaatiokuplilla, jotka tunkeutuvat halkaisuun.
© Tyurnina et al. 2020
Tehokkaat ultraäänilaitteet Borofene-kuorintaan missä tahansa mittakaavassa
Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakaa kestäviä ja luotettavia ultraäänilaitteita missä tahansa koossa. Hielscherillä on ihanteellinen ultraäänijärjestelmä prosessillesi kompaktista laboratorion ultraäänilaitteista teollisiin ultraäänimittapäihin ja reaktoreihin. Pitkäaikaisella kokemuksella nanomateriaalisynteesin ja dispersion kaltaisilla sovelluksilla hyvin koulutettu henkilökuntamme suosittelee sinulle sopivinta kokoonpanoa ypour-vaatimuksiin. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit tunnetaan luotettavina työhevosina teollisuuslaitoksissa. Hielscherin ultraäänilaitteet pystyvät tuottamaan erittäin korkeat amplitudit, ja ne ovat ihanteellisia korkean suorituskyvyn sovelluksiin, kuten borofeeni- tai grafeenikuorintaan sekä nanomateriaalidisperioineihin. Jopa 200 μm amplitudit voidaan suorittaa helposti jatkuvasti 24/7-toiminnassa. Vielä korkeampia amplitudeja varten on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Kaikki laitteet on suunniteltu ja valmistettu pääkonttorissamme Saksassa. Ennen asiakkaalle toimittamista jokainen ultraäänilaite testataan huolellisesti täydellä kuormituksella. Pyrimme asiakastyytyväisyyteen ja tuotantomme on rakennettu täyttämään korkein laadunvarmistus (esim. ISO-sertifiointi).
- korkea hyötysuhde
- Uusi tekniikka
- luotettavuus & kestävyys
- erä & linjassa
- minkä tahansa aseman
- älykkäät ohjelmistot
- älykkäät ominaisuudet (esim. dataprotokolla)
- CIP (clean-in-place)
Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| erätilavuus | Virtausnopeus | Suositeltavat laitteet |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000 ml | 20 - 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2 - 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 - 100 litraa | 2 - 10 l / min | UIP4000hdT |
| n.a | 10 - 100 l / min | UIP16000 |
| n.a | suuremmat | klusterin UIP16000 |
Ota meihin yhteyttä! / Kysy meiltä!
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomygenisoijia sovellusten sekoittamiseen, dispersiointiin, emulgointiin ja uuttamiseen laboratoriossa, pilotissa ja teollisessa mittakaavassa.
Kirjallisuus / Referenssit
- 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.
Tosiasiat, jotka kannattaa tietää
Borofeeni
Borofeeni on kiteinen boorien atomimonolayer, eli se on kaksiulotteinen boorien allotropi (jota kutsutaan myös boorien nanolevyksi). Sen ainutlaatuiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet muuttavat borofeenin arvokkaaksi materiaaliksi lukuisiin teollisiin sovelluksiin.
Borofenen poikkeuksellisiin fysikaalisiin ja kemiallisiin ominaisuuksiin kuuluvat ainutlaatuiset mekaaniset, lämpö-, elektroniset, optiset ja suprajohtavat puolit.
Tämä avaa mahdollisuuksia käyttää borofeenia sovelluksiin alkalimetalli-ioniparistoissa, Li-S-akuissa, vedyn varastoinnissa, superkondensaattorissa, hapen vähentämisessä ja kehityksessä sekä CO2-elektroreduction-reaktiossa. Erityisen suuri kiinnostus menee borofeeniin akkujen anodimateriaalina ja vedyn varastointimateriaalina. Korkean teoreettisen spesifisen kapasiteetin, elektronisen johtavuuden ja ionin kuljetusominaisuuksien vuoksi borofeenia voidaan pitää akkujen suurena anodimateriaalina. Koska vety on suuri adsorboitumiskyky borofeeniin, se tarjoaa suuren potentiaalin vedyn varastointiin - ja sen stroage-kapasiteetti on yli 15% sen painosta.
Borofeeni vedyn varastointiin
Kaksiulotteiset (2D) booripohjaiset materiaalit saavat paljon huomiota H2-varastointiaineina boorin alhaisen atomimassan ja pinnalla olevien koristelualkalmetallien stabiilisuuden vuoksi, mikä parantaa vuorovaikutusta H2: n kanssa. Kaksiulotteiset borofeeni-nanolevyt, jotka voidaan helposti syntetisoida ultraääninestefaasikuorinnalla edellä kuvatulla tavalla, ovat osoittaneet hyvää affiniteettia erilaisiin metallia koristaviin atomeihin, joissa metalliatomien klusterointi voi tapahtua. Käyttämällä erilaisia metallikoristeita, kuten Li, Na, Ca ja Ti eri borofeenipolymorfeilla, on saatu vaikuttavia H2-gravimetrisiä tiheyksiä, jotka vaihtelevat 6-15 wt %, mikä ylittää Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) vaatimuksen aluksella varastoinnista 6,5wt% H2. (vrt. Habibi et ai., 2021)
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkealaatuisia ultraäänihomygenisoijia laboratorio että teollisen koon mukaan.