Ksenien ultraäänikuorinta

Ksenit ovat 2D-monoelementaalisia nanomateriaaleja, joilla on poikkeuksellisia ominaisuuksia, kuten erittäin korkea pinta-ala, anisotrooppiset fysikaaliset / kemialliset ominaisuudet, mukaan lukien ylivoimainen sähkönjohtavuus tai vetolujuus. Ultraäänikuorinta tai delaminaatio on tehokas ja luotettava tekniikka tuottaa yksikerroksisia 2D-nanolevyjä kerrostetuista esiastemateriaaleista. Ultraäänikuorinta on jo perustettu korkealaatuisten ksenes-nanolevyjen tuottamiseksi teollisessa mittakaavassa.

Ksenit – Yksikerroksiset nanorakenteet

Ksenit ovat yksikerroksisia (2D), monoelementaalisia nanomateriaaleja, joissa on grafeenin kaltainen rakenne, kerroksen sisäinen kovalenttinen sidos ja heikot van der Waals -voimat kerrosten välillä. Esimerkkejä xenes-luokkaan kuuluvista materiaaleista ovat borofeeni, siliceeni, germaneeni, stane, fosfori (musta fosfori), arseeni, bismuteeni sekä tellureeni ja antimoneeni. Yksikerroksisen 2D-rakenteensa ansiosta ksenes-nanomateriaalit hiillostetaan erittäin suurella pinnalla sekä parannetuilla kemiallisilla ja fysikaalisilla uudelleenaktivoinneilla. Nämä rakenteelliset ominaisuudet antavat xenes-nanomateriaaleille vaikuttavia fotoniikka-, katalyyttisiä, magneettisia ja elektronisia ominaisuuksia ja tekevät näistä nanorakenteista erittäin mielenkiintoisia lukuisiin teollisiin sovelluksiin. Vasemmalla olevassa kuvassa on SEM-kuvia ultraäänellä kuoritusta borofeenista.

Xenes Nanomaterialsin tuotanto ultraääni delaminaatiolla

Kerrostettujen nanomateriaalien nestemäinen kuorinta: Yksikerroksiset 2D-nanolevyt valmistetaan epäorgaanisista materiaaleista, joissa on kerrostetut rakenteet (esim. grafiitti), jotka koostuvat löyhästi pinotuista isäntäkerroksista, joissa on kerroskerroksesta kerrokseen -gallerian laajennus tai turvotus tiettyjen ionien ja/tai liuottimien kalkalisoinnin yhteydessä. Kuorinta, jossa kerrostettu vaihe pilkotaan nanolevyiksi, liittyy tyypillisesti turvotukseen, joka johtuu nopeasti heikentyneistä sähköstaattisista nähtävyyksistä kerrosten välillä, jotka tuottavat yksittäisten 2D-kerrosten tai levyjen kolloidisia dispersioita. (vrt. Geng et al, 2013) Yleensä tiedetään, että turvotus helpottaa kuorintaa ultraäänen kautta ja johtaa negatiivisesti varautuneisiin nanolevyihin. Kemiallinen esikäsittely helpottaa myös kuorintaa sonikoinnin avulla liuottimissa. Esimerkiksi funktionalisointi mahdollistaa kerrostettujen kaksoishydroksidien (LDH) kuorinnan alkoholeissa. (vrt. Nicolosi et ai., 2013)
Ultraäänikuorintaa / delaminaatiota varten kerrostettu materiaali altistuu voimakkaille ultraääniaalloille liuottimessa. Kun energiatiheät ultraääniaallot kytketään nesteeseen tai lietteeseen, akustinen alias ultraäänikavitaatio tapahtuu. Ultraääni kavitaatiolle on ominaista tyhjiökuplien romahtaminen. Ultraääniaallot kulkevat nesteen läpi ja tuottavat vuorotellen matalapainetta / korkeapainejaksoja. Minuuttityhjiökuplat syntyvät matalapainesyklin (harvinaisen) syklin aikana ja kasvavat erilaisissa matalapaine - / korkeapainesykleissä. Kun kavitaatiokupla saavuttaa pisteen, jossa se ei voi imeä enempää energiaa, kupla luhistuu voimakkaasti ja luo paikallisesti erittäin energiatiheitä olosuhteita. Kavitaatiopaikka määräytyy erittäin korkeiden paineiden ja lämpötilan, vastaavien paineiden ja lämpötilaerojen, nopeiden nestesuihkujen ja leikkausvoimien perusteella. Nämä sonomekaaniset ja sonokemialliset voimat työntävät liuottimen pinottujen kerrosten ja hajoavien kerrostettujen hiukkasten ja kiteisten rakenteiden väliin ja tuottavat siten kuorittuja nanolevyjä. Alla oleva kuvasarja osoittaa kuorintaprosessin ultraäänikavitaatiolla.

Nopea sarja (a:sta f:hen), jotka kuvaavat grafiittihiutaleen sonomekaanista kuorintaa vedessä UP200S, 200W ultrasonicator 3 mm sonotrodilla. Nuolet osoittavat halkaisupaikan (kuorinta) kavitaatiokuplilla, jotka tunkeutuvat halkeamaan.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Mallinnus on osoittanut, että jos liuottimen pintaenergia on samanlainen kuin kerrostetun materiaalin pintaenergia, kuorittujen ja uudelleensovitettujen tilojen välinen energiaero on hyvin pieni, mikä poistaa uudelleen aggregoinnin liikkeellepanevan voiman. Verrattuna vaihtoehtoisiin sekoitus- ja leikkausmenetelmiin ultraäänisekoittimet tarjosivat tehokkaamman energianlähteen kuorintaan, mikä johti ionin interkalointi-avusteisen TaS:n kuorinnan demonstrointiin.₂Nbs₂ja MoS₂sekä kerrostetut oksidit. (vrt. Nicolosi et ai., 2013)

TEM-kuvat ultraäänesti nestemäisistä kuorituista nanolevyistä: (A) Grafeenin nanolevy, joka on kuorittu sonikaatiolla liuottimessa N-metyyli-pyrrolidoni. B) h-BN-nanolevy, joka on kuorittu sonikoimalla liuottimen isopropanoliin. C) MoS2-nanolevy, joka on kuorittu sonikoimalla vesipitoisessa pinta-aktiivisen aineen liuoksessa.
(Tutkimus ja kuvat: ©Nicolosi et ai., 2013)

Ultraääni nesteen kuorintaprotokollat

Ksenien ja muiden yksikerroksisten nanomateriaalien ultraäänikuorintaa ja delaminaatiota on tutkittu laajasti tutkimuksessa ja siirretty menestyksekkäästi teolliseen tuotantovaiheeseen. Alla esitämme sinulle valitut kuorintaprotokollat sonikaatiolla.

Fosforin nanohiutaleiden ultraäänikuorinta

Fosfori (tunnetaan myös nimellä musta fosfori, BP) on fosforiatomeista muodostuva 2D-kerrostettu, monoelementaalinen materiaali.
Passaglia et al. (2018) -tutkimuksessa on osoitettu stabiilien fosforisuspensioiden − metyylimetakrylaatin valmistaminen sonikaatioavusteisella nestefaasikuorinnalla (LPE) bP: n läsnä ollessa MMA: n läsnä ollessa, jota seuraa radikaali polymerointi. Metyylimetakrylaatti (MMA) on nestemäinen monomeeri.

Protokolla fosforeenin ultraääninesteen kuorintaan

LPE sai MMA_bPn, NVP_bPn ja Sty_bPn suspensioita ainoan monomeerin läsnä ollessa. Tyypillisessä menettelyssä ∼5 mg bP: tä, joka murskattiin huolellisesti laastiin, laitettiin koeputkeen ja sitten lisättiin painotettu määrä vapaaottelua, Styä tai NVP: tä. Monomeeri bP-suspensio sonikoitiin 90 minuutin ajan Hielscher Ultrasonics -homogenisaattorilla UP200St (200W, 26 kHz), varustettu sonotrode S26d2:lla (kärjen halkaisija: 2 mm). Ultraääniamplitudi säilytettiin vakiona 50%: lla P : llä = 7 W: lla. Kaikissa tapauksissa jääkylpyä käytettiin lämmönpoiston parantamiseen. Viimeinen MMA_bPn, NVP_bPn ja Sty_bPn keskeytykset upotettiin sitten N2: lla 15 minuutin ajan. DLS analysoi kaikki suspensiot, mikä osoitti rH-arvot todella lähellä DMSO_bPn. Esimerkiksi MMA_bPn suspensiolle (jolla on noin 1% bP-pitoisuudesta) oli ominaista rH = 512 ± 58 nm.
Vaikka muut tieteelliset tutkimukset fosforista raportoivat useiden tuntien sonikaatioajasta ultraäänipuhdistimella, korkean kiehumispisteen liuottimilla ja alhaisella hyötysuhteella, Passaglian tutkimusryhmä osoittaa erittäin tehokkaan ultraäänikuorintaprotokollan käyttämällä anturityyppistä ultraäänilaitetta (eli, UP200St).

Ultraääni Borofeeni kuorinta

Sonikaatioprotokollia ja ultraääniborofeenin kuorinnan tuloksia varten napsauta tätä!

Muutaman kerroksen piidioksidin nanolevyjen ultraäänikuorinta

Muutaman kerroksen kuoritut piidioksidin nanolevyt (E-SN) valmistettiin luonnollisesta vermikuliitista (Verm) ultraäänikuorinnan kautta. Kuorittujen piidioksidin nanolevyjen synteesiin sovellettiin seuraavaa neste-faasikuorintamenetelmää: 40 mg piidioksidin nanolevyjä (SN) dispergoitiin 40 ml:aan absoluuttista etanolia. Tämän jälkeen seosta ultraäänettiin 2 tunnin ajan Hielscherillä Ultraääniprosessori UP200St, varustettu 7 mm sonotrodilla. Ultraääniaallon amplitudi pidettiin vakiona 70 prosentissa. Jääkylpyä käytettiin ylikuumenemisen välttämiseksi. Kuorimaton SN poistettiin sentrifugoimalla nopeudella 1000 rpm 10 minuutin ajan. Lopuksi tuote dekantoidaan ja kuivattiin huoneenlämmössä tyhjiössä yön yli. (vrt. Guo et ai., 2022)

Suuritehoiset ultraäänianturit ja reaktorit Xenes Nanosheetsin kuorintaan

Hielscher Ultrasonics suunnittelee, valmistaa ja jakaa kestäviä ja luotettavia ultraäänilaitteita missä tahansa koossa. Hielscherillä on ihanteellinen ultraäänijärjestelmä prosessillesi pienikokoisista laboratorion ultraäänilaitteista teollisiin ultraäänikokeisiin ja reaktoreihin. Pitkä kokemus sovelluksista, kuten nanomateriaalisynteesistä ja dispersiosta, hyvin koulutettu henkilökuntamme suosittelee sinulle sopivinta asennusta tarpeisiisi. Hielscherin teolliset ultraääniprosessorit tunnetaan luotettavina työhevosina teollisuuslaitoksissa. Hielscherin ultraäänilaitteet pystyvät toimittamaan erittäin korkeita amplitudeja, ja ne ovat ihanteellisia korkean suorituskyvyn sovelluksiin, kuten ksenien ja muiden 2D-yksikerroksisten nanomateriaalien, kuten borofeenin, fosforin tai grafeenin, synteesiin sekä näiden nanorakenteiden luotettavaan leviämiseen.
Poikkeuksellisen voimakas ultraääni: Hielscher Ultrasonics’ teolliset ultraääniprosessorit voivat tuottaa erittäin korkeita amplitudit. Jopa 200 μm:n amplitudit voidaan helposti käyttää jatkuvasti 24/7-toiminnassa. Vielä korkeampia amplitudit, räätälöity ultraääni ultraääni sonotrodit ovat saatavilla.
Korkealaatuisia – Suunniteltu ja valmistettu Saksassa: 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).

Seuraavassa taulukossa on merkintä ultrasonicatorien likimääräisestä käsittelykapasiteetista: