ઔદ્યોગિક પાયે બોરોફીનનું અલ્ટ્રાસોનિક સંશ્લેષણ

બોરોફીન, જે બોરોનનું દ્વિપરિમાણીય નેનોસંરચિત વ્યુત્પન્ન છે, તેનું સરળ અને ઓછા ખર્ચવાળા અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન દ્વારા કાર્યક્ષમ રીતે સંશ્લેષણ કરી શકાય છે. ઉચ્ચ ગુણવત્તાની બોરોફીન નેનોશીટ્સનું મોટા જથ્થામાં ઉત્પાદન કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક પ્રવાહી-તબક્કા એક્સફોલિએશનનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન તકનીકનો ઉપયોગ 2D નેનોસામગ્રીઓ (દા.ત., ગ્રાફીન) ઉત્પન્ન કરવા માટે વ્યાપકપણે થાય છે અને તે ઉચ્ચ ગુણવત્તાની નેનોશીટ્સ, ઊંચી ઉપજ, ઝડપી અને સરળ કામગીરી તેમજ એકંદર કાર્યક્ષમતા જેવા ફાયદાઓ માટે જાણીતી છે.

બોરોફીન તૈયાર કરવા માટેની અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન પદ્ધતિ

ગ્રેફાઇટ (ગ્રાફીન), બોરોન (બોરોફીન) સહિત વિવિધ બલ્ક પૂર્વગામી પદાર્થોમાંથી 2D નેનોશીટ્સ તૈયાર કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક ઊર્જાથી ચાલતા પ્રવાહી-તબક્કા એક્સફોલિએશનનો વ્યાપકપણે ઉપયોગ થાય છે. રાસાયણિક એક્સફોલિએશન તકનીકની તુલનામાં, બોરોન ક્વોન્ટમ ડોટ્સ (BQDs) અને બોરોફીન જેવી 0D અને 2D નેનોસંરચનાઓ તૈયાર કરવા માટે અલ્ટ્રાસોનિક-સહાયિત પ્રવાહી-તબક્કા એક્સફોલિએશનને વધુ આશાસ્પદ વ્યૂહરચના માનવામાં આવે છે. (જુઓ Wang et al., 2021)
ડાબી બાજુની રૂપરેખા થોડાં સ્તરો ધરાવતી 2D બોરોફીન શીટ્સની નીચા તાપમાને થતી અલ્ટ્રાસોનિક પ્રવાહી એક્સફોલિએશન પ્રક્રિયા દર્શાવે છે. (અભ્યાસ અને ચિત્ર: ©Lin et al., 2021.)

બોરોફીનના અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશનના કેસ અભ્યાસો

પ્રવાહી-તબક્કાની પ્રક્રિયામાં ઉચ્ચ શક્તિવાળા અલ્ટ્રાસાઉન્ડનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવતા એક્સફોલિએશન અને સ્તરવિયોજનનો વ્યાપક અભ્યાસ થયો છે અને તેનો બોરોફીન તથા બોરોન ક્વોન્ટમ ડોટ્સ, બોરોન નાઇટ્રાઇડ અથવા મેગ્નેશિયમ ડાઇબોરાઇડ જેવા બોરોનના અન્ય વ્યુત્પન્નો પર સફળતાપૂર્વક ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે.

α-બોરોફીન

Göktuna અને Taşaltın (2021) દ્વારા કરવામાં આવેલા અભ્યાસમાં, સરળ અને ઓછા ખર્ચવાળા અલ્ટ્રાસોનિક એક્સફોલિએશન દ્વારા α બોરોફીન તૈયાર કરવામાં આવ્યું હતું. અલ્ટ્રાસોનિક રીતે સંશ્લેષિત બોરોફીન નેનોશીટ્સ α બોરોફીનની સ્ફટિકીય રચના દર્શાવે છે.
પ્રોટોકોલ: 100 mg બોરોન સૂક્ષ્મકણોનું 100 ml DMF માં 200 W પર (દા.ત., S26d14 સાથે UP200St નો ઉપયોગ કરીને) 4h સુધી નાઇટ્રોજન (N₂)નો પ્રવાહ નિયંત્રિત થતો હોય તેવી કેબિનમાં સોનિકેશન કરવામાં આવ્યું હતું, જેથી અલ્ટ્રાસોનિક પ્રવાહી-તબક્કા એક્સફોલિએશન પ્રક્રિયા દરમિયાન ઓક્સિડેશન અટકાવી શકાય. એક્સફોલિએશન કરેલા બોરોન કણોના દ્રાવણને અનુક્રમે 5000 rpm અને 12,000 rpm પર 15 min માટે સેન્ટ્રિફ્યુજ કરવામાં આવ્યું હતું, ત્યારબાદ બોરોફીનને કાળજીપૂર્વક એકત્ર કરીને નિર્વાત વાતાવરણમાં 50ºC પર 4h સુધી સૂકવવામાં આવ્યું હતું. (જુઓ Göktuna and Taşaltın, 2021)

પ્રોબ અલ્ટ્રાસોનિક-સહાયિત સોલ્વોથર્મલ ઉપચાર પ્રક્રિયા દ્વારા એક્સફોલિએશન કરેલા થોડાં સ્તરો ધરાવતા બોરોફીનનું રૂપરેખાત્મક નિરૂપણ.
અભ્યાસ અને ચિત્ર: ©Zhang et al., 2020

થોડાં સ્તરો ધરાવતું બોરોફીન

Zhang et al. (2020) એસિટોન સોલ્વોથર્મલ પ્રવાહી-તબક્કા એક્સફોલિએશન તકનીકનું વર્ણન કરે છે, જે મોટા આડા પરિમાણવાળા ઉચ્ચ ગુણવત્તાના બોરોફીનનું ઉત્પાદન શક્ય બનાવે છે. એસિટોનની ફુલાવવાની અસરનો ઉપયોગ કરીને, બોરોન પાઉડરના પૂર્વગામી પદાર્થને પહેલાં એસિટોનમાં ભીનો કરવામાં આવ્યો હતો. ત્યારબાદ, ભીના બોરોન પૂર્વગામી પદાર્થને એસિટોનમાં 200ºC પર વધુ સોલ્વોથર્મલ ઉપચાર આપવામાં આવ્યો હતો અને પછી પ્રોબ-પ્રકારના સોનિકેટર વડે 225 W પર 4h સુધી સોનિકેશન કરવામાં આવ્યું હતું. અંતે બોરોનનાં થોડાં સ્તરો ધરાવતું અને 5.05 mm સુધીનું આડું પરિમાણ ધરાવતું બોરોફીન મેળવવામાં આવ્યું હતું. મોટા આડા પરિમાણવાળી અને ઉચ્ચ ગુણવત્તાની બોરોન નેનોશીટ્સ તૈયાર કરવા માટે એસિટોન સોલ્વોથર્મલ-સહાયિત પ્રવાહી-તબક્કા એક્સફોલિએશન તકનીકનો ઉપયોગ કરી શકાય છે. (જુઓ Zhang et al., 2020)
અલ્ટ્રાસોનિક રીતે એક્સફોલિએશન કરેલા બોરોફીનની XRD પેટર્નની બલ્ક બોરોન પૂર્વગામી પદાર્થ સાથે સરખામણી કરવામાં આવે ત્યારે સમાન XRD પેટર્ન જોવા મળે છે. મોટાભાગનાં મુખ્ય વિવર્તન શિખરોને b-રોમ્બોહેડ્રલ બોરોન સાથે સૂચકાંકિત કરી શકાય છે, જે સૂચવે છે કે એક્સફોલિએશન ઉપચાર પહેલાં અને પછી સ્ફટિકીય રચના લગભગ જળવાઈ રહે છે.

એસિટોનમાં અલ્ટ્રાસોનિક-સહાયિત સોલ્વોથર્મલ એક્સફોલિએશન દ્વારા મેળવેલા થોડાં સ્તરો ધરાવતા બોરોફીનની નીચા વિભેદનવાળી (a) અને ઊંચા વિભેદનવાળી (b) SEM છબીઓ
અભ્યાસ અને ચિત્ર: ©Zhang et al., 2020

ઉપચાર ન કરેલા બલ્ક બોરોનની અને પ્રોબ અલ્ટ્રાસોનિક-સહાયિત સોલ્વોથર્મલ એક્સફોલિએશન દ્વારા મેળવેલા થોડાં સ્તરો ધરાવતા બોરોફીનની XRD પેટર્ન (a) અને રામન વર્ણપટ (b).
અભ્યાસ અને ચિત્ર: ©Zhang et al., 2020

બોરોન ક્વોન્ટમ ડોટ્સનું સોનોકેમિકલ સંશ્લેષણ

Hao et al. (2020) એ અત્યંત ધ્રુવીય કાર્બનિક દ્રાવક એસિટોનાઇટ્રાઇલમાં વિસ્તૃત બોરોન પાઉડરમાંથી મોટા પાયે એકસમાન સ્ફટિકીય અર્ધવાહક બોરોન ક્વોન્ટમ ડૉટ્સ (BQDs) સફળતાપૂર્વક તૈયાર કર્યા, જેના માટે શક્તિશાળી પ્રોબ-પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટરનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો (દા.ત., UP400St, UIP500hdT અથવા UIP1000hdT). સંશ્લેષિત બોરોન ક્વોન્ટમ ડૉટ્સનું પાર્શ્વીય કદ 2.46 ±0.4 nm અને જાડાઈ 2.81 ±0.5 nm હતી.
પ્રયોગવિધિ: બોરોન ક્વોન્ટમ ડૉટ્સ તૈયાર કરવાની એક સામાન્ય પ્રક્રિયામાં, પહેલાં ત્રણ મુખવાળા ફ્લાસ્કમાં 30 mg બોરોન પાઉડર ઉમેરવામાં આવ્યો અને ત્યારબાદ અલ્ટ્રાસોનિકેશન પ્રક્રિયા પહેલાં આ પાત્રમાં 15 mL એસિટોનાઇટ્રાઇલ ઉમેરવામાં આવ્યું. સ્તરવિચ્છેદન માટે 400 W ની આઉટપુટ શક્તિ (દા.ત., UIP500hdTનો ઉપયોગ કરીને), 20kHz આવૃત્તિ અને 60 min નો અલ્ટ્રાસોનિક પ્રક્રિયા સમય રાખવામાં આવ્યો. અલ્ટ્રાસોનિકેશન દરમિયાન દ્રાવણ વધુ પડતું ગરમ ન થાય અને તાપમાન સ્થિર રહે તે માટે બરફના સ્નાન અથવા પ્રયોગશાળાના ચિલર વડે ઠંડક આપવામાં આવી. પરિણામી દ્રાવણને 1500 rpm પર 60 min માટે સેન્ટ્રિફ્યુજ કરવામાં આવ્યું. બોરોન ક્વોન્ટમ ડૉટ્સ ધરાવતા ઉપરના પ્રવાહીને હળવેથી અલગ કાઢવામાં આવ્યું. તમામ પ્રયોગો ઓરડાના તાપમાને કરવામાં આવ્યા. (cf. Hao et al., 2020)
Wang et al. (2021) ના અભ્યાસમાં પણ સંશોધકોએ અલ્ટ્રાસોનિક પ્રવાહી-તબક્કા સ્તરવિચ્છેદન તકનીકનો ઉપયોગ કરીને બોરોન ક્વોન્ટમ ડૉટ્સ તૈયાર કર્યા. તેમણે સાંકડા કદ-વિતરણ, ઉત્તમ વિક્ષેપણક્ષમતા, IPA દ્રાવણમાં ઉચ્ચ સ્થિરતા અને “two-photo” પ્રતિદીપ્તિ ધરાવતા એકસમાન રીતે વિક્ષેપિત બોરોન ક્વોન્ટમ ડૉટ્સ મેળવ્યા.

અલગ અલગ અલ્ટ્રાસોનિક પરિસ્થિતિઓમાં તૈયાર કરાયેલા BQDs ની TEM છબીઓ અને તેમનું અનુરૂપ વ્યાસ-વિતરણ. (a) 400 W પર 2 h માટે સંશ્લેષિત BQDs-2 ની TEM છબી. (b) 550 W પર 1 h માટે સંશ્લેષિત BQDs-3 ની TEM છબી. (c) 400 W પર 4 h માટે સંશ્લેષિત BQDs-3 ની TEM છબી. (d) (a) માંથી મેળવેલા ક્વોન્ટમ ડૉટ્સનું વ્યાસ-વિતરણ. (e) (b) માંથી મેળવેલા ક્વોન્ટમ ડૉટ્સનું વ્યાસ-વિતરણ. (f) (c) માંથી મેળવેલા ક્વોન્ટમ ડૉટ્સનું વ્યાસ-વિતરણ.
અભ્યાસ અને ચિત્ર: ©Hao et al., 2020

મેગ્નેશિયમ ડાઇબોરાઇડ નેનોશીટ્સનું અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન

સ્તરવિચ્છેદનની પ્રક્રિયા માટે 450mg મેગ્નેશિયમ ડાઇબોરાઇડ
(MgB₂) પાઉડર (આશરે 100 મેશ કદ / 149 માઇક્રોન) ને 150 ml પાણીમાં નિલંબિત કરીને 30 મિનિટ માટે અલ્ટ્રાસોનિકેશન આપવામાં આવ્યું. અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદન માટે પ્રોબ-પ્રકારના અલ્ટ્રાસોનિકેટર, જેમ કે UP200Ht અથવા UP400St નો ઉપયોગ 30% કંપનવિસ્તાર અને 10sec ચાલુ/બંધ પલ્સવાળા ચક્ર મોડ સાથે કરી શકાય છે. અલ્ટ્રાસોનિક સ્તરવિચ્છેદનના પરિણામે ઘેરા કાળા રંગનું નિલંબન બને છે. આ કાળો રંગ મૂળ MgB2 પાઉડરના રંગને કારણે હોઈ શકે છે.

પાણીમાં ગ્રેફાઇટના પાતળા ટુકડાનું સોનો-યાંત્રિક સ્તરવિચ્છેદન દર્શાવતા ફ્રેમોની ઉચ્ચ-ગતિની શ્રેણી (a થી f), જેમાં UP200S નામના 200W અલ્ટ્રાસોનિકેટરનો તેના પર લગાવેલા 3mm સોનોટ્રોડ સાથે ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો છે. તીરો વિભાજનનું સ્થાન (સ્તરવિચ્છેદન) દર્શાવે છે, જ્યાં કેવિટેશનના પરપોટા તિરાડમાં પ્રવેશે છે.
© Tyurnina et al. 2020

કોઈપણ પાયે બોરોફીનના સ્તરવિચ્છેદન માટે શક્તિશાળી અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ

Hielscher Ultrasonics કોઈપણ કદના મજબૂત અને વિશ્વસનીય અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સની રચના, ઉત્પાદન અને વિતરણ કરે છે. પ્રયોગશાળાના સુઘડ અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણોથી લઈને ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોબ્સ અને રિએક્ટર્સ સુધી, Hielscher પાસે તમારી પ્રક્રિયા માટે આદર્શ અલ્ટ્રાસોનિક સિસ્ટમ છે. નેનોપદાર્થોના સંશ્લેષણ અને વિક્ષેપણ જેવા ઉપયોગોમાં લાંબા સમયના અનુભવના આધારે, અમારો સુપ્રશિક્ષિત કર્મચારીવર્ગ તમારી જરૂરિયાતો માટે સૌથી યોગ્ય વ્યવસ્થાની ભલામણ કરશે. Hielscher ના ઔદ્યોગિક અલ્ટ્રાસોનિક પ્રોસેસર્સ ઔદ્યોગિક સુવિધાઓમાં વિશ્વસનીય રીતે સતત કામ કરનારાં ઉપકરણો તરીકે જાણીતા છે. અત્યંત ઊંચા કંપનવિસ્તાર પૂરા પાડવાની ક્ષમતા ધરાવતા Hielscher અલ્ટ્રાસોનિકેટર્સ બોરોફીન અથવા ગ્રેફીનના સ્તરવિચ્છેદન તેમજ નેનોપદાર્થોના વિક્ષેપણ જેવા ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા ધરાવતા ઉપયોગો માટે આદર્શ છે. 200µm સુધીના કંપનવિસ્તાર પર 24/7 કામગીરી સરળતાથી સતત ચલાવી શકાય છે. તેનાથી પણ ઊંચા કંપનવિસ્તાર માટે જરૂરિયાત મુજબ બનાવેલા અલ્ટ્રાસોનિક સોનોટ્રોડ્સ ઉપલબ્ધ છે.
તમામ ઉપકરણોની રચના અને ઉત્પાદન જર્મનીમાં અમારા મુખ્ય મથકે કરવામાં આવે છે. ગ્રાહકને પહોંચાડતાં પહેલાં દરેક અલ્ટ્રાસોનિક ઉપકરણનું પૂર્ણ ભાર હેઠળ કાળજીપૂર્વક પરીક્ષણ કરવામાં આવે છે. અમે ગ્રાહક સંતોષ માટે પ્રયત્નશીલ છીએ અને સર્વોચ્ચ ગુણવત્તા ખાતરીની આવશ્યકતાઓ (દા.ત., ISO પ્રમાણન) પૂરી કરવા માટે અમારા ઉત્પાદનનું આયોજન કરવામાં આવ્યું છે.

નીચેનું કોષ્ટક અમારા અલ્ટ્રાસોનિકેટરોની અંદાજિત પ્રક્રિયા ક્ષમતાનો ખ્યાલ આપે છે: