Synthèse de borophène par ultrasons à l’échelle industrielle

Le borophène, dérivé nanostructuré bidimensionnel du bore, peut être synthétisé efficacement par une exfoliation ultrasonique simple et peu coûteuse. L’exfoliation en phase liquide par ultrasons permet de produire de grandes quantités de nanofeuillets de borophène de haute qualité. La technique d’exfoliation par ultrasons est largement utilisée pour produire des nanomatériaux 2D (p. ex. le graphène) et est bien connue pour ses avantages : nanofeuillets de haute qualité, rendements élevés, mise en œuvre rapide et simple, ainsi qu’une efficacité globale.

Méthode d’exfoliation par ultrasons pour la préparation du borophène

L’exfoliation en phase liquide par ultrasons est largement utilisée pour préparer des nanofeuillets 2D à partir de divers précurseurs massifs, notamment le graphite (graphène) et le bore (borophène), entre autres. Comparée à la technique d’exfoliation chimique, l’exfoliation en phase liquide assistée par ultrasons est considérée comme la stratégie la plus prometteuse pour préparer des nanostructures 0D et 2D telles que les points quantiques de bore (BQDs) et le borophène. (cf. Wang et al., 2021)
Le schéma à gauche montre le procédé d’exfoliation liquide à basse température par ultrasons de feuillets de borophène 2D à quelques couches. (Étude et image : ©Lin et al., 2021.)

Études de cas sur l’exfoliation du borophène par ultrasons

L’exfoliation et la délamination par ultrasons de puissance dans un procédé en phase liquide ont été largement étudiées et appliquées avec succès au borophène et à d’autres dérivés du bore tels que les points quantiques de bore, le nitrure de bore ou le diborure de magnésium.

α-Borophène

Dans l’étude réalisée par Göktuna et Taşaltın (2021), du borophène α a été préparé par une exfoliation ultrasonique simple et peu coûteuse. Les nanofeuillets de borophène synthétisés par ultrasons présentent une structure cristalline de borophène α.
Protocole : 100 mg de microparticules de bore ont été soniquées dans 100 ml de DMF à 200 W (p. ex. avec l’UP200St équipé du S26d14) pendant 4h dans une enceinte à flux d’azote (N₂) contrôlé afin d’éviter l’oxydation pendant le procédé d’exfoliation en phase liquide par ultrasons. La solution de particules de bore exfoliées a été centrifugée à 5000 rpm et à 12 000 rpm pendant 15 min respectivement, puis le borophène a été soigneusement recueilli et séché sous vide pendant 4h à 50ºC. (cf. Göktuna et Taşaltın, 2021)

Illustration schématique du borophène à quelques couches exfolié par le procédé de traitement solvothermal assisté par sonde à ultrasons.
Étude et image : ©Zhang et al., 2020

Borophène à quelques couches

Zhang et al. (2020) décrivent une technique d’exfoliation en phase liquide solvothermale dans l’acétone, qui permet de produire du borophène de haute qualité et de grande taille horizontale. En exploitant l’effet de gonflement de l’acétone, le précurseur de poudre de bore a d’abord été mouillé dans l’acétone. Ensuite, le précurseur de bore mouillé a été soumis à un traitement solvothermal supplémentaire dans l’acétone à 200ºC, suivi d’une sonication avec un sonicateur de type sonde à 225 W pendant 4h. On a finalement obtenu du borophène à quelques couches de bore, d’une taille horizontale allant jusqu’à 5,05 mm. La technique d’exfoliation en phase liquide assistée par traitement solvothermal dans l’acétone peut être utilisée pour préparer des nanofeuillets de bore de grandes tailles horizontales et de haute qualité. (cf. Zhang et al., 2020)
Lorsque le diagramme DRX du borophène exfolié par ultrasons est comparé à celui du précurseur de bore massif, on observe un diagramme DRX similaire. La plupart des principaux pics de diffraction peuvent être indexés sur le bore b-rhomboédrique, ce qui suggère que la structure cristalline est quasiment conservée avant et après le traitement d’exfoliation.

Images MEB à faible résolution (a) et à haute résolution (b) de borophène à quelques couches obtenu par exfoliation solvothermale assistée par ultrasons dans l’acétone
Étude et image : ©Zhang et al., 2020

Diagrammes DRX (a) et spectres Raman (b) du bore massif non traité et du borophène à quelques couches obtenu par exfoliation solvothermale assistée par sonde à ultrasons.
Étude et image : ©Zhang et al., 2020

Synthèse sonochimique de points quantiques de bore

Hao et al. (2020) ont préparé avec succès, à grande échelle, des points quantiques de bore (BQDs) semi-conducteurs cristallins et uniformes à partir de poudre de bore expansée dans l’acétonitrile, un solvant organique hautement polaire, à l’aide d’un puissant ultrasonicateur de type sonde (p. ex. UP400St, UIP500hdT ou UIP1000hdT). Les points quantiques de bore synthétisés présentent une taille latérale de 2,46 ±0,4 nm et une épaisseur de 2,81 ±0,5 nm.
Protocole : Dans une préparation typique de points quantiques de bore, 30 mg de poudre de bore ont d’abord été introduits dans un ballon tricol, puis 15 mL d’acétonitrile ont été ajoutés dans le flacon avant le procédé de sonication. L’exfoliation a été réalisée à une puissance de sortie de 400 W (p. ex. avec le UIP500hdT), à une fréquence de 20kHz et avec une durée de sonication de 60 min. Pour éviter la surchauffe de la solution pendant la sonication, un refroidissement par bain de glace ou par refroidisseur de laboratoire a été appliqué afin de maintenir une température constante. La solution obtenue a été centrifugée à 1500 rpm pendant 60 min. Le surnageant contenant les points quantiques de bore a été prélevé délicatement. Toutes les expériences ont été menées à température ambiante. (cf. Hao et al., 2020)
Dans l’étude de Wang et al. (2021), les chercheurs ont eux aussi préparé des points quantiques de bore par la technique d’exfoliation en phase liquide par ultrasons. Ils ont obtenu des points quantiques de bore monodispersés présentant une distribution de taille étroite, une excellente dispersibilité, une grande stabilité dans une solution d’IPA et une fluorescence « two-photo ».

Images MET et distribution des diamètres correspondante des BQDs préparés dans différentes conditions ultrasoniques. (a) Image MET des BQDs-2 synthétisés à 400 W pendant 2 h. (b) Image MET des BQDs-3 synthétisés à 550 W pendant 1 h. (c) Image MET des BQDs-3 synthétisés à 400 W pendant 4 h. (d) Distribution des diamètres des points quantiques obtenue à partir de (a). (e) Distribution des diamètres des points quantiques obtenue à partir de (b). (f) Distribution des diamètres des points quantiques obtenue à partir de (c).
Étude et image : ©Hao et al., 2020

Exfoliation par ultrasons de nanofeuillets de diborure de magnésium

Le procédé d’exfoliation a été réalisé en mettant en suspension 450mg de diborure de magnésium
(MgB₂) en poudre (env. 100 mesh / 149 microns) dans 150 ml d’eau et en l’exposant à la sonication pendant 30 minutes. L’exfoliation par ultrasons peut être réalisée avec un ultrasonicateur de type sonde tel que le UP200Ht ou le UP400St avec une amplitude de 30% et un mode cyclique d’impulsions de 10sec marche/arrêt. L’exfoliation par ultrasons donne une suspension d’un noir foncé. La couleur noire peut être attribuée à la couleur de la poudre de MgB2 vierge.

Séquence à haute vitesse (de a à f) d’images illustrant l’exfoliation sono-mécanique d’un flocon de graphite dans l’eau à l’aide du UP200S, un ultrasonicateur de 200W équipé d’une sonotrode de 3mm. Les flèches indiquent l’endroit de la fissuration (exfoliation), où des bulles de cavitation pénètrent dans la fissure.
© Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicateurs puissants pour l’exfoliation du borophène à toute échelle

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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :