פילינג קולי של Xenes
Xenes הם ננו-חומרים חד-יסודיים דו-ממדיים בעלי תכונות יוצאות דופן כגון שטח פנים גבוה מאוד, תכונות פיזיקליות / כימיות אנאיזוטרופיות כולל מוליכות חשמלית מעולה או חוזק מתיחה. פילינג קולי או דלמינציה היא טכניקה יעילה ואמינה לייצור ננו-יריעות דו-ממדיות חד-שכבתיות מחומרים מקדימים שכבתיים. פילינג קולי כבר הוקמה לייצור ננו-יריעות קסנים באיכות גבוהה בקנה מידה תעשייתי.
קסנס – ננו-מבנים חד-שכבתיים
קסנים הם ננו-חומרים חד-שכבתיים (דו-ממדיים), בעלי מבנה דמוי גרפן, קשר קוולנטי תוך-שכבתי וכוחות ואן דר ואלס חלשים בין שכבות. דוגמאות לחומרים, שהם חלק מקבוצת הקסנים הם בורופן, סיליצן, גרמנין, סטנן, זרחן שחור (זרחן שחור), ארסנן, ביסמוטן, טלורן ואנטימונן. בשל המבנה הדו-ממדי החד-שכבתי שלהם, ננו-חומרים של קסנים מיוצרים על ידי משטח גדול מאוד, כמו גם תגובות כימיות ופיזיקליות משופרות. מאפיינים מבניים אלה מעניקים לננו-חומרים תכונות פוטוניות, קטליטיות, מגנטיות ואלקטרוניות מרשימות, והופכים ננו-מבנים אלה למעניינים מאוד עבור יישומים תעשייתיים רבים. התמונה משמאל מציגה תמונות SEM של בורופן שעבר קילוף אולטרה-סאונד.
כור עם 2000 וואט Ultrasonicator UIP2000hdT לקילוף בקנה מידה גדול של ננו-יריעות Xenes.
ייצור ננו-חומרים של Xenes באמצעות דלמינציה על-קולית
פילינג נוזלי של ננו-חומרים שכבתיים: ננו-יריעות דו-ממדיות חד-שכבתיות מיוצרות מחומרים אנאורגניים בעלי מבנים שכבתיים (למשל, גרפיט) המורכבים משכבות מארח מוערמות באופן רופף המציגות התרחבות או נפיחות משכבה לשכבה בהצטלבות של יונים ו/או ממסים מסוימים. פילינג, שבו הפאזה השכבתית נבקעת לננו-יריעות, מלווה בדרך כלל את הנפיחות עקב היחלשות מהירה של אטרקציות אלקטרוסטטיות בין השכבות המייצרות פיזור קולואידי של שכבות או יריעות דו-ממדיות בודדות. (ראה: גנג ואחרים, 2013) באופן כללי ידוע כי נפיחות מקלה על פילינג באמצעות אולטרסוניקציה וגורמת לננו-יריעות טעונות שלילית. טיפול מקדים כימי גם מקל על פילינג באמצעות סוניקציה בממסים. לדוגמה, פונקציונליזציה מאפשרת קילוף של הידרוקסידים כפולים שכבתיים (LDHs) באלכוהולים. (ראה: ניקולוסי ואחרים, 2013)
עבור פילינג קולי / delamination החומר שכבות חשוף גלים קוליים חזקים בממס. כאשר גלי אולטרסאונד צפופים באנרגיה מצומדים לתוך נוזל או slurry, אקוסטי aka קולי cavitation להתרחש. cavitation קולי מאופיין על ידי קריסה של בועות ואקום. גלי האולטרסאונד עוברים דרך הנוזל ויוצרים לסירוגין מחזורי לחץ נמוך / לחץ גבוה. בועות ואקום זעירות מתעוררות במהלך מחזור לחץ נמוך (rarefaction) וגדלות על פני מחזורי לחץ נמוך / לחץ גבוה שונים. כאשר בועת קוויטציה מגיעה לנקודה שבה היא אינה יכולה לספוג אנרגיה נוספת, הבועה מתפוצצת באלימות ויוצרת תנאים מקומיים צפופים מאוד באנרגיה. נקודה חמה קוויטציונית נקבעת על ידי לחצים וטמפרטורה גבוהים מאוד, לחצים והפרשי טמפרטורה בהתאמה, סילוני נוזל במהירות גבוהה וכוחות גזירה. כוחות סונומכניים וסונוכימיים אלה דוחפים את הממס בין השכבות המוערמות ומפרקים מבנים חלקיקיים וגבישיים שכבתיים ובכך מייצרים ננו-יריעות פילינג. רצף התמונות למטה מדגים את תהליך הפילינג על ידי קוויטציה קולית.
רצף מהיר (מ-a עד f) של מסגרות הממחישות קילוף סונו-מכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200S, אולטרסאונד של 200 ואט עם סונוטרודה 3 מ"מ. חצים מראים את מקום הפיצול (פילינג) עם בועות קוויטציה החודרות לפיצול.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
מודלים הראו שאם אנרגיית פני השטח של הממס דומה לזו של החומר השכבתי, הפרש האנרגיה בין המצב המתקלף למצב המצטבר מחדש יהיה קטן מאוד, ויסיר את הכוח המניע לצבירה מחדש. בהשוואה לשיטות ערבוב וגזירה חלופיות, מסיתים על-קוליים סיפקו מקור אנרגיה יעיל יותר לפילינג, מה שהוביל להדגמה של פילינג בעזרת אינטרקלציה של יונים2NbS,2ומשרד החינוך.,2וכן תחמוצות שכבות., (ראה: ניקולוסי ואחרים, 2013)
תמונות TEM של ננו-יריעות פילינג נוזליות באולטרה-סאונד: (A) ננו-יריעת גרפן המתקלפת באמצעות סוניקציה בממס N-מתיל-פירולידון. (B) ננו-יריעת h-BN המתקלפת באמצעות סוניקציה באיזופרופנול הממס. (C) ננו-יריעת MoS2 המתקלפת באמצעות סוניקציה בתמיסת פעילי שטח מימית.
(מחקר ותמונות: ©Nicolosi et al., 2013)
פרוטוקולי פילינג נוזלי אולטראסוני
פילינג על-קולי ודלמינציה של קסנים וננו-חומרים חד-שכבתיים אחרים נחקרו בהרחבה במחקר והועברו בהצלחה לשלב הייצור התעשייתי. להלן נציג פרוטוקולי פילינג נבחרים באמצעות סוניקציה.
פילינג קולי של ננופליקס זרחן
זרחן שחור (באנגלית: Phosphorene) הוא חומר חד-יסודי דו-ממדי הנוצר מאטומי זרחן.
במחקר של Passaglia et al. (2018), הודגמה הכנת תרחיפים יציבים של זרחן - מתיל מתקרילט על ידי פילינג שלב נוזלי בסיוע סוניקציה (LPE) של bP בנוכחות MMA ואחריו פילמור רדיקלי. מתיל מתקרילט (MMA) הוא מונומר נוזלי.
פרוטוקול פילינג נוזלי אולטראסוני של זרחן
MMA_bPn, NVP_bPn והשעיות Sty_bPn הושגו על ידי LPE בנוכחות המונומר היחיד. בהליך טיפוסי, ∼ 5 מ"ג של bP, מרוסק בזהירות במכתש, הוכנס למבחנה ואז נוספה כמות משוקללת של MMA, sty או NVP. מתלה bP מונומר היה sonicated במשך 90 דקות באמצעות Hielscher Ultrasonics homogenizer UP200St (200W, 26kHz), מצויד sonotrode S26d2 (קוטר קצה: 2 מ"מ). המשרעת העל-קולית נשמרה קבועה ב-50% עם P = 7 W. בכל המקרים, אמבט קרח שימש לפיזור חום משופר. ההשעיות האחרונות של MMA_bPn, NVP_bPn ו-Sty_bPn הושבתו עם N2 למשך 15 דקות. כל המתלים נותחו על ידי DLS, והראו ערכי rH קרובים מאוד לאלה של DMSO_bPn. לדוגמה, ההשעיה MMA_bPn (בעלת כ -1% מתכולת bP) התאפיינה ב- rH = 512 ± 58 ננומטר.
בעוד שמחקרים מדעיים אחרים על זרחן מדווחים על זמן סוניקציה של מספר שעות באמצעות חומר ניקוי קולי, ממיסים בעלי נקודת רתיחה גבוהה ויעילות נמוכה, צוות המחקר של Passaglia מדגים פרוטוקול פילינג קולי יעיל ביותר באמצעות אולטרסאונד מסוג בדיקה (כלומר Hielscher ultrasonicator דגם UP200St).
פילינג קולי של ננו-יריעות חד-שכבתיות
כדי לקרוא פרטים ספציפיים יותר ופרוטוקולי פילינג עבור ננו-יריעות בורופן ותחמוצת רותניום, אנא עקוב אחר הקישורים הבאים:
בורופן: לפרוטוקולי סוניקציה ותוצאות פילינג בורופן אולטראסוני, אנא לחצו כאן!
RuO2: לקבלת פרוטוקולי סוניקציה ותוצאות של פילינג ננו-גיליונות של תחמוצת רותניום קולית, אנא לחץ כאן!
פילינג על-קולי של ננו-יריעות סיליקה מעטות שכבות
ננו-יריעות סיליקה מעטות שכבות עם קילוף הוכנו מוורמיקוליט טבעי (Verm) באמצעות פילינג על-קולי. לסינתזה של ננו-יריעות סיליקה מקולפות יושמה שיטת הפילינג הנוזלית הבאה: 40 מ"ג ננו-יריעות סיליקה פוזרו באתנול מוחלט של 40 מ"ל. לאחר מכן, תערובת היה קולי במשך 2 שעות באמצעות מעבד קולי Hielscher UP200St, מצויד sonotrode 7 מ"מ. המשרעת של גל האולטרסאונד נשמרה קבועה על 70%. אמבט קרח הוחל כדי למנוע התחממות יתר. SN ללא קילוף הוסרו על ידי צנטריפוגה ב 1000 סל"ד במשך 10 דקות. לבסוף, המוצר פורק ויובש בטמפרטורת החדר תחת ואקום למשך הלילה. (ראה: Guo et al., 2022)
פילינג קולי של ננו-יריעות חד-שכבתיות עם אולטרסוניקטור UP400St.
פילינג נוזלי אולטראסוני יעיל מאוד לייצור ננו-יריעות קסנים. התמונה מראה את 1000 וואט חזק UIP1000hdT.
בדיקות אולטרסאונד בהספק גבוה וכורים לקילוף ננו-יריעות Xenes
Hielscher Ultrasonics מתכננת, מייצרת ומפיצה Ultrasonicators חזק ואמין בכל גודל. מ מעבדה קומפקטית התקנים קוליים כדי בדיקות קולי תעשייתי כורים, Hielscher יש את המערכת קולי האידיאלי עבור התהליך שלך. עם ניסיון רב שנים ביישומים כגון סינתזה ופיזור ננו-חומרים, הצוות המיומן שלנו ימליץ לך על ההתקנה המתאימה ביותר לדרישות שלך. Hielscher מעבדים קוליים תעשייתיים ידועים סוסי עבודה אמינים במתקנים תעשייתיים. מסוגל לספק אמפליטודות גבוהות מאוד, Hielscher ultrasonicators הם אידיאליים עבור יישומים בעלי ביצועים גבוהים כגון סינתזה של xenes וננו-חומרים חד-שכבתיים דו-ממדיים אחרים כגון בורופן, זרחן או גרפן, כמו גם פיזור אמין של ננו-מבנים אלה.
אולטרסאונד עוצמתי במיוחד: Hielscher Ultrasonics’ מעבדים קוליים תעשייתיים יכולים לספק אמפליטודות גבוהות מאוד. אמפליטודות של עד 200μm ניתנות להפעלה רציפה בקלות בפעולה 24/7. עבור אמפליטודות גבוהות עוד יותר, sonotrodes קולי מותאם אישית זמינים.
האיכות הגבוהה ביותר – עוצב ויוצר בגרמניה: כל הציוד מתוכנן ומיוצר במטה שלנו בגרמניה. לפני המסירה ללקוח, כל מכשיר קולי נבדק בקפידה תחת עומס מלא. אנו שואפים לשביעות רצון הלקוחות והייצור שלנו בנוי לעמוד באבטחת האיכות הגבוהה ביותר (למשל, הסמכת ISO).
הטבלה הבאה נותנת לך אינדיקציה ליכולת העיבוד המשוערת של האולטרסאונד שלנו:
| נפח אצווה | קצב זרימה | מכשירים מומלצים |
|---|---|---|
| 1 עד 500 מ"ל | 10 עד 200 מ"ל/דקה | UP100H |
| 10 עד 2000 מ"ל | 20 עד 400 מ"ל/דקה | UP200Ht, UP400ST |
| 00.1 עד 20 ליטר | 00.2 עד 4L/דקה | UIP2000hdT |
| 10 עד 100 ליטר | 2 עד 10 ליטר/דקה | UIP4000hdT |
| נ.א. | 10 עד 100 ליטר/דקה | UIP16000 |
| נ.א. | גדול | אשכול של UIP16000 |
צרו קשר! / שאל אותנו!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים לערבוב יישומים, פיזור, תחליב וחילוץ בקנה מידה מעבדתי, פיילוט ותעשייתי.
ספרות / מקורות
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Passaglia, Elisa; Cicogna, Francesca; Costantino, Federica; Coiai, Serena; Legnaioli, Stefano; Lorenzetti, G.; Borsacchi, Silvia; Geppi, Marco; Telesio, Francesca; Heun, Stefan; Ienco, Andrea; Serrano-Ruiz, Manuel; Peruzzini, Maurizio (2018): Polymer-Based Black Phosphorus (bP) Hybrid Materials by in Situ Radical Polymerization: An Effective Tool To Exfoliate bP and Stabilize bP Nanoflakes. Chemistry of Materials 2018.
- Zunmin Guo, Jianuo Chen, Jae Jong Byun, Rongsheng Cai, Maria Perez-Page, Madhumita Sahoo, Zhaoqi Ji, Sarah J. Haigh, Stuart M. Holmes (2022): High-performance polymer electrolyte membranes incorporated with 2D silica nanosheets in high-temperature proton exchange membrane fuel cells. Journal of Energy Chemistry, Volume 64, 2022. 323-334.
- Sukpirom, Nipaka; Lerner, Michael (2002): Rapid exfoliation of a layered titanate by ultrasonic processing. Materials Science and Engineering A-structural Materials Properties Microstructure and Processing 333, 2002. 218-222.
- Nicolosi, Valeria; Chhowalla, Manish; Kanatzidis, Mercouri; Strano, Michael; Coleman, Jonathan (2013): Liquid Exfoliation of Layered Materials. Science 340, 2013.
עובדות שכדאי לדעת
זרחן
הזרחן (גם ננו-יריעות זרחן שחור / ננו-פתיתים) מציג ניידות גבוהה של 1000 סמ"ר V-1 s-1 עבור מדגם בעובי 5 ננומטר עם יחס ON/OFF זרם גבוה של 105. כמוליך למחצה מסוג p, לזרחן יש פער פס ישיר של 0.3 eV. יתר על כן, לזרחן יש פער פס ישיר אשר גדל עד כ -2 eV עבור monolayer. תכונות חומר אלה הופכות ננו-יריעות זרחן שחור לחומר מבטיח ליישומים תעשייתיים בהתקנים ננו-אלקטרוניים וננו-פוטוניים, המכסים את כל טווח הספקטרום הנראה. (ראה: Passaglia et al., 2018) יישום פוטנציאלי נוסף טמון ביישומים ביו-רפואיים, שכן רעילות נמוכה יחסית הופכת את ניצול הזרחן השחור לאטרקטיבי ביותר.
במחלקה של חומרים דו-ממדיים, זרחן ממוקם לעתים קרובות ליד גרפן מכיוון שבניגוד לגרפן, לזרחן יש פער פס בסיסי שאינו אפס שניתן לווסת אותו יתר על כן על ידי מתח ומספר השכבות בערימה.
בורופן
בורופן היא חד-שכבה אטומית גבישית של בורון, כלומר, היא אלוטרופ דו-ממדי של בורון (המכונה גם ננו-יריעת בור). המאפיינים הפיזיקליים והכימיים הייחודיים שלו הופכים את בורופן לחומר יקר ערך עבור יישומים תעשייתיים רבים.
התכונות הפיזיקליות והכימיות יוצאות הדופן של בורופן כוללות היבטים מכניים, תרמיים, אלקטרוניים, אופטיים ומוליכי-על ייחודיים.
זה פותח אפשרויות לשימוש בבורופן ליישומים בסוללות יון מתכת אלקליות, סוללות Li-S, אחסון מימן, קבל-על, הפחתת חמצן ואבולוציה, כמו גם תגובת הפחתת CO2. עניין רב במיוחד נכנס לבורופן כחומר אנודה לסוללות וכחומר אחסון מימן. בשל יכולות ספציפיות תיאורטיות גבוהות, מוליכות אלקטרונית ותכונות הובלת יונים, בורופן נחשב לחומר אנודה נהדר לסוללות. בשל יכולת הספיגה הגבוהה של מימן לבורופן, הוא מציע פוטנציאל גדול לאגירת מימן – עם יכולת אחסון של מעל 15% ממשקלו.
קרא עוד על סינתזה קולית ופיזור בורופן!
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.