Ultraääniborofeenisynteesi teollisessa mittakaavassa
Borofeeni, boorin kaksiulotteinen nanorakenteinen johdannainen, voidaan syntetisoida tehokkaasti helpon ja edullisen ultraäänikuorinnan avulla. Ultraääni-nestefaasin kuorintaa voidaan käyttää tuottamaan suuria määriä korkealaatuisia borofeenin nanosheettejä. Ultraäänikuorintatekniikkaa käytetään laajalti 2D-nanomateriaalien (esim. grafeenin) tuottamiseen, ja se on tunnettu korkealaatuisten nanoarkkien, korkean saannon, nopean ja helpon toiminnan sekä yleisen tehokkuuden eduista.
Ultraäänikuorintamenetelmä borofeenivalmisteelle
Ultraäänellä ohjattua nestefaasikuorintaa käytetään laajalti 2D-nanoarkkien valmistamiseen erilaisista irtotavarana olevista lähtöaineista, mukaan lukien grafiitti (grafeeni), boori (borofeeni). Kemialliseen kuorintatekniikkaan verrattuna ultraäänellä avustettua nestefaasikuorintaa pidetään lupaavampana strategiana valmistaa 0D- ja 2D-nanorakenteita, kuten boorikvanttipisteitä (BQD) ja borofeenia. (vrt. Wang et al., 2021)
Vasen kaavio näyttää 2D-muutaman kerroksen borofeenilevyjen ultraäänisen matalan lämpötilan nestemäisen kuorintaprosessin. (Tutkimus ja kuva: ©Lin et ai., 2021.)
Sonokemiallinen reaktori, joka on varustettu 2000 watin teollinen ultraääniprosessori UIP2000hdT laajamittaiseen borofeenin kuorintaan.
Tapaustutkimukset ultraääniborofeenin kuorinnasta
Kuorintaa ja delaminointia tehon ultraäänellä nestefaasiprosessissa on tutkittu laajalti ja sovellettu menestyksekkäästi borofeeniin ja muihin boorijohdannaisiin, kuten boorikvanttipisteisiin, boorinitridiin tai magnesiumdiboridiin.
α-borofeeni
Göktunan ja Taşaltınin (2021) tekemässä tutkimuksessa α borofeeni valmistettiin helpon ja edullisen ultraäänikuorinnan avulla. Ultraäänellä syntetisoiduilla borofeenin nanosheeteillä on α borofeenikiteinen rakenne.
Protokolla: 100 mg boorimikrohiukkasia sonikoitiin 100 ml: ssa DMF: ää 200 W: ssa (esim. käyttämällä UP200St: tä S26d14: n kanssa) 4 tunnin ajan typessä (N2) virtausohjattu hytti hapettumisen estämiseksi ultraääninestefaasin kuorintaprosessin aikana. Kuorittujen boorihiukkasten liuos sentrifugoitiin nopeudella 5000 rpm ja 12 000 rpm vastaavasti 15 minuutin ajan, sitten borofeeni kerättiin huolellisesti ja kuivattiin tyhjiössä 4 tunnin ajan 50 ºC: ssa. (vrt. Göktuna ja Taşaltın, 2021)
Kaaviokuva borofeenista, jossa on muutama kerros, joka on kuorittu koettimen ultraääniavusteisella solvotermisen käsittelyn prosessilla.
Tutkimus ja kuva: ©Zhang et ai., 2020
Muutaman kerroksen borofeeni
(2020) raportoivat asetonin solvotermisestä nestefaasikuorintatekniikasta, joka mahdollistaa korkealaatuisen borofeenin tuottamisen suurella vaakakoolla. Asetonin turpoamisvaikutusta käyttämällä boorijauheen esiaste kostutettiin ensin asetonissa. Sitten kostutettua boorin prekursoria käsiteltiin edelleen solvatermisesti asetonissa 200 ºC: ssa, jota seurasi sonikaatio koetintyyppisellä sonikaattorilla 225 W: ssa 4 tunnin ajan. Lopulta saatiin borofeeni, jossa oli muutama boorikerros ja vaakasuora koko jopa 5, 05 mm. Asetonin liuotusavusteista nestefaasikuorintatekniikkaa voidaan käyttää boorin nanolevyjen valmistamiseen, joilla on suuret vaakakoot ja korkealaatuiset. (vrt. Zhang et al., 2020)
Kun ultraäänellä kuoritun borofeenin XRD-kuviota verrataan bulkkiboorin esiasteeseen, voidaan havaita samanlainen XRD-kuvio. Suurin osa tärkeimmistä diffraktiopiikeistä voidaan indeksoida b-romboedriseen booriin, mikä viittaa siihen, että kiteinen rakenne on lähes säilynyt ennen kuorintakäsittelyä ja sen jälkeen.
SEM-kuvat, joissa on matala resoluutio (a) ja korkea resoluutio (b) borofeenia, jossa on vähän kerroksia, jotka on saatu ultraäänellä avustetulla solvotermisellä kuorinnalla asetonissa
Tutkimus ja kuva: ©Zhang et ai., 2020
XRD-kuviot (a) ja Raman-spektrit (b) käsittelemättömästä bulkkiboorista ja borofeenista, joissa on muutamia kerroksia, jotka on saatu koettimen ultraääniavusteisella solvotermisellä kuorinnalla.
Tutkimus ja kuva: ©Zhang et ai., 2020
Boorikvanttipisteiden sonokemiallinen synteesi
(2020) valmisti onnistuneesti laajamittaisia ja yhtenäisiä kiteisiä puolijohdeboorikvanttipisteitä (BQD) paisutetusta boorijauheesta asetonitriilissä, erittäin polaarisessa orgaanisessa liuottimessa, käyttäen voimakasta koetintyyppistä ultraäänilaitetta (esim. UP400St, UIP500hdT tai UIP1000hdT). Syntetisoidut boorikvanttipisteet, joiden sivukoko on 2, 46 ±0, 4 nm ja paksuus 2, 81 ±0, 5 nm.
Protokolla: Tyypillisessä boorikvanttipisteiden valmistuksessa 30 mg boorijauhetta lisättiin ensin kolmikaulaiseen pulloon ja sitten 15 ml asetonitriiliä lisättiin pulloon ennen ultrasonication-prosessia. Kuorinta suoritettiin 400 W:n lähtöteholla (esim. UIP500hdT), taajuus 20 kHz ja ultraääniaika 60 min. Liuoksen ylikuumenemisen välttämiseksi ultrasonicationin aikana jäähdytystä käytettiin jäähauteella tai laboratoriojäähdyttimellä vakiolämpötilaan. Saatua liuosta sentrifugoidaan nopeudella 1500 rpm 60 minuutin ajan. Boorikvanttipisteitä sisältävä supernatantti uutettiin varovasti. Kaikki kokeet suoritettiin huoneenlämmössä. (vrt. Hao et al., 2020)
(2021) tutkimuksessa tutkija valmistaa boorikvanttipisteitä myös ultraääninestefaasin kuorintatekniikalla. He saivat monodispergoituneen boorikvanttipisteen, jolla oli kapea kokojakauma, erinomainen dispergoituvuus, korkea stabiilisuus IPA-liuoksessa ja kahden valon fluoresenssi.
TEM-kuvat ja BQD: iden vastaava halkaisijajakauma, jotka on valmistettu eri ultraääniolosuhteissa. a) BQD-2:n TEM-kuva syntetisoituna 400 W:n teholla 2 tunnin ajan. b) BQD-3:n TEM-kuva syntetisoituna 550 W:n teholla 1 tunnin ajan. c) BQD-3:n TEM-kuva syntetisoituna 400 W:n teholla 4 tunnin ajan. d) Kohdasta (a) saatujen kvanttipisteiden halkaisijajakauma. e) Kohdasta b saatujen kvanttipisteiden halkaisijajakauma. f) Kohdasta (c) saatujen kvanttipisteiden halkaisijajakauma.
Tutkimus ja kuva: ©Hao et al., 2020
Magnesiumdiboridin nanoarkkien ultraäänikuorinta
Kuorintaprosessi suoritettiin suspendoimalla 450mg magnesiumdiboridia
(MgB2) jauhe (noin 100 silmäkoko / 149 mikronia) 150 ml: ssa vettä ja altistamalla se ultrasonicationille 30 minuutin ajan. Ultraäänikuorinta voidaan suorittaa koetintyyppisellä ultraäänilaitteella, kuten UP200Ht tai UP400St amplitudilla 30% ja syklitilalla 10 sekunnin päälle/pois-pulsseilla. Ultraäänikuorinta johtaa tummaan mustaan suspensioon. Musta väri johtuu koskemattoman MgB2-jauheen väristä.
Nopea kehyssarja (a:sta f:ään), joka kuvaa grafiittihiutaleen sonomekaanista kuorintaa vedessä käyttäen UP200S, 200W ultraäänilaite 3mm sonotrodella. Nuolet osoittavat halkaisupaikan (kuorinnan) kavitaatiokuplien tunkeutuessa halkeamaan.
© Tyurnina ym. 2020
Tehokkaat ultraääniastiat borofeenin kuorintaan missä tahansa mittakaavassa
Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakelee vankkoja ja luotettavia ultraäänilaitteita missä tahansa koossa. Pienikokoisista laboratorion ultraäänilaitteista teollisiin ultraääniantureihin ja reaktoreihin Hielscherillä on ihanteellinen ultraäänijärjestelmä prosessillesi. Meillä on pitkä kokemus nanomateriaalien synteesin ja dispersion kaltaisista sovelluksista, joten hyvin koulutettu henkilökuntamme suosittelee sinulle sopivinta asennusta ypour -vaatimuksiin. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit tunnetaan luotettavina työhevosina teollisuuslaitoksissa. Hielscher-ultraäänilaitteet, jotka pystyvät tuottamaan erittäin suuria amplitudit, ovat ihanteellisia korkean suorituskyvyn sovelluksiin, kuten borofeenin tai grafeenin kuorintaan sekä nanomateriaalidispersioihin. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan helposti ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja.
Kaikki laitteet suunnitellaan ja valmistetaan pääkonttorissamme Saksassa. Ennen toimitusta asiakkaalle jokainen ultraäänilaite testataan huolellisesti täydellä kuormituksella. Pyrimme asiakastyytyväisyyteen ja tuotantomme on rakennettu täyttämään korkein laadunvarmistus (esim. ISO-sertifiointi).
- korkea hyötysuhde
- Uusinta teknologiaa
- luotettavuus & rotevuus
- erä & Inline
- mille tahansa tilavuudelle
- Älykäs ohjelmisto
- Älykkäät ominaisuudet (esim. dataprotokollat)
- CIP (puhdas paikan päällä)
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita sekoitussovelluksiin, dispersioon, emulgointiin ja uuttamiseen laboratorio-, pilotti- ja teollisessa mittakaavassa.
Kirjallisuus / Viitteet
- 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.
Faktoja, jotka kannattaa tietää
borofeeni
Borofeeni on boorin kiteinen atominen yksikerros, eli se on boorin kaksiulotteinen allotrooppi (kutsutaan myös boorin nanoarkiksi). 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 puolet.
Tämä avaa mahdollisuuksia käyttää borofeenia sovelluksiin alkalimetalli-ioniakuissa, Li-S-akuissa, vedyn varastoinnissa, superkondensaattorissa, hapen vähentämisessä ja evoluutiossa sekä CO2-sähköreduktioreaktiossa. Erityisen suuri kiinnostus kohdistuu borofeeniin paristojen anodimateriaalina ja vedyn varastointimateriaalina. Korkean teoreettisen spesifisen kapasiteetin, elektronisen johtavuuden ja ioninkuljetusominaisuuksien vuoksi borofeeni on erinomainen anodimateriaali paristoille. Koska vedyllä on suuri adsorbtiokapasiteetti borofeeniin, se tarjoaa suuren potentiaalin vedyn varastointiin - sen stroage-kapasiteetti on yli 15% painostaan.
Borofeeni vedyn varastointiin
Kaksiulotteiset (2D) booripohjaiset materiaalit saavat paljon huomiota H2-varastointivälineinä boorin alhaisen atomimassan ja pinnalla olevien alkalimetallien koristelun stabiilisuuden vuoksi, mikä parantaa vuorovaikutusta H2: n kanssa. Kaksiulotteiset borofeenin nanosheetit, jotka voidaan helposti syntetisoida käyttämällä ultraäänistä nestefaasikuorintaa, kuten edellä on kuvattu, ovat osoittaneet hyvän affiniteetin erilaisiin metallia koristaviin atomeihin, joissa metalliatomien klusteroituminen voi tapahtua. Käyttämällä erilaisia metallikoristeita, kuten Li, Na, Ca ja Ti erilaisissa borofeenipolymorfeissa, on saatu vaikuttavia H2-gravimetrisiä tiheyksiä, jotka vaihtelevat välillä 6–15 paino-%, ylittäen Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) vaatimuksen 6,5 paino-% H2-varastoinnista aluksella. (vrt. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics valmistaa korkean suorituskyvyn ultraäänihomogenisaattoreita laboratorio jotta Teollisuuden koko.