औद्योगिक पैमाने पर अल्ट्रासोनिक बोरोफीन संश्लेषण
बोरोफीन, जो बोरॉन का एक द्वि-आयामी नैनोसंरचित व्युत्पन्न है, को सरल और कम लागत वाले अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन द्वारा कुशलतापूर्वक संश्लेषित किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक द्रव-चरण एक्सफोलिएशन का उपयोग उच्च गुणवत्ता वाली बोरोफीन नैनोशीटों का बड़ी मात्रा में उत्पादन करने के लिए किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन तकनीक का व्यापक रूप से 2D नैनोपदार्थों (जैसे, ग्राफीन) के उत्पादन के लिए उपयोग किया जाता है और यह उच्च गुणवत्ता वाली नैनोशीटों, उच्च उपज, त्वरित और सरल संचालन, तथा समग्र दक्षता जैसे अपने लाभों के लिए सुविख्यात है।
बोरोफीन तैयार करने के लिए अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन विधि
अल्ट्रासोनिक तरंगों द्वारा संचालित द्रव-चरण एक्सफोलिएशन का व्यापक रूप से ग्रेफाइट (ग्राफीन), बोरॉन (बोरोफीन) सहित विभिन्न स्थूल अग्रद्रव्यों से 2D नैनोशीटें तैयार करने के लिए उपयोग किया जाता है। रासायनिक एक्सफोलिएशन तकनीक की तुलना में, अल्ट्रासोनिक-सहायित द्रव-चरण एक्सफोलिएशन को बोरॉन क्वांटम डॉट्स (BQDs) और बोरोफीन जैसी 0D और 2D नैनोसंरचनाएँ तैयार करने की अधिक संभावनाशील रणनीति माना जाता है। (cf. Wang et al., 2021)
बाईं ओर का आरेख कुछ परतों वाली 2D बोरोफीन शीटों के अल्ट्रासोनिक निम्न-तापमान द्रव एक्सफोलिएशन की प्रक्रिया दर्शाता है। (अध्ययन और चित्र: ©Lin et al., 2021.)
बड़े पैमाने पर बोरोफीन के एक्सफोलिएशन के लिए 2000 वाट के औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर UIP2000hdT से सुसज्जित सोनोकेमिकल रिएक्टर।
अल्ट्रासोनिक बोरोफीन एक्सफोलिएशन के केस अध्ययन
द्रव-चरण प्रक्रिया में उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड का उपयोग करके एक्सफोलिएशन और परत-विलगन का व्यापक अध्ययन किया गया है और इसे बोरोफीन तथा बोरॉन क्वांटम डॉट्स, बोरॉन नाइट्राइड या मैग्नीशियम डाइबोराइड जैसे अन्य बोरॉन व्युत्पन्नों पर सफलतापूर्वक लागू किया गया है।
α-बोरोफीन
Göktuna और Taşaltın (2021) द्वारा किए गए अध्ययन में, α बोरोफीन को सरल और कम लागत वाले अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन द्वारा तैयार किया गया। अल्ट्रासोनिक विधि से संश्लेषित बोरोफीन नैनोशीटें α बोरोफीन की क्रिस्टलीय संरचना प्रदर्शित करती हैं।
प्रोटोकॉल: अल्ट्रासोनिक द्रव-चरण एक्सफोलिएशन प्रक्रिया के दौरान ऑक्सीकरण रोकने के लिए, 100 mg बोरॉन सूक्ष्मकणों का 100 ml DMF में 200 W पर (जैसे, S26d14 के साथ UP200St का उपयोग करके) 4h तक सोनिकेशन किया गया। यह प्रक्रिया एक ऐसे कक्ष में की गई जिसमें नियंत्रित प्रवाह वाली नाइट्रोजन (N2) गैस प्रवाहित की जा रही थी। एक्सफोलिएट किए गए बोरॉन कणों के विलयन को 5000 rpm और 12,000 rpm पर क्रमशः 15 min तक अपकेंद्रित किया गया, फिर बोरोफीन को सावधानीपूर्वक एकत्र किया गया और निर्वात वातावरण में 50ºC पर 4h तक सुखाया गया। (cf. Göktuna and Taşaltın, 2021)
प्रोब अल्ट्रासोनिक-सहायित सॉल्वोथर्मल उपचार प्रक्रिया द्वारा एक्सफोलिएट किए गए कुछ परतों वाले बोरोफीन का योजनाबद्ध चित्रण।
अध्ययन और चित्र: ©Zhang et al., 2020
कुछ परतों वाला बोरोफीन
Zhang et al. (2020) ने एसीटोन सॉल्वोथर्मल द्रव-चरण एक्सफोलिएशन तकनीक का वर्णन किया है, जो बड़े क्षैतिज आकार वाले उच्च गुणवत्ता के बोरोफीन के उत्पादन की अनुमति देती है। एसीटोन के फुलाने वाले प्रभाव का उपयोग करते हुए, बोरॉन पाउडर अग्रद्रव्य को पहले एसीटोन में गीला किया गया। फिर, गीले बोरॉन अग्रद्रव्य का एसीटोन में 200ºC पर आगे सॉल्वोथर्मल उपचार किया गया, जिसके बाद प्रोब-प्रकार के सोनिकेटर से 225 W पर 4h तक सोनिकेशन किया गया। अंततः बोरॉन की कुछ परतों वाला और 5.05 mm तक के क्षैतिज आकार वाला बोरोफीन प्राप्त हुआ। एसीटोन सॉल्वोथर्मल-सहायित द्रव-चरण एक्सफोलिएशन तकनीक का उपयोग बड़े क्षैतिज आकार वाली और उच्च गुणवत्ता की बोरॉन नैनोशीटें तैयार करने के लिए किया जा सकता है। (cf. Zhang et al., 2020)
जब अल्ट्रासोनिक विधि से एक्सफोलिएट किए गए बोरोफीन के XRD पैटर्न की तुलना स्थूल बोरॉन अग्रद्रव्य के XRD पैटर्न से की जाती है, तो समान XRD पैटर्न देखा जा सकता है। अधिकांश प्रमुख विवर्तन शिखरों को b-रॉम्बोहेड्रल बोरॉन के अनुरूप सूचकांक दिए जा सकते हैं, जिससे संकेत मिलता है कि एक्सफोलिएशन उपचार से पहले और बाद में क्रिस्टलीय संरचना लगभग संरक्षित रहती है।
एसीटोन में अल्ट्रासोनिक-सहायित सॉल्वोथर्मल एक्सफोलिएशन द्वारा प्राप्त कुछ परतों वाले बोरोफीन के निम्न विभेदन (a) और उच्च विभेदन (b) वाले SEM चित्र
अध्ययन और चित्र: ©Zhang et al., 2020
अनुपचारित स्थूल बोरॉन तथा प्रोब अल्ट्रासोनिक-सहायित सॉल्वोथर्मल एक्सफोलिएशन द्वारा प्राप्त कुछ परतों वाले बोरोफीन के XRD पैटर्न (a) और रमन स्पेक्ट्रा (b)।
अध्ययन और चित्र: ©Zhang et al., 2020
बोरॉन क्वांटम डॉट्स का सोनोकेमिकल संश्लेषण
Hao et al. (2020) ने अत्यधिक ध्रुवीय कार्बनिक विलायक एसीटोनाइट्राइल में विस्तारित बोरॉन पाउडर से एक शक्तिशाली प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर (उदा., UP400St, UIP500hdT या UIP1000hdT) का उपयोग करके बड़े पैमाने पर एकसमान क्रिस्टलीय अर्धचालक बोरॉन क्वांटम डॉट्स (BQDs) सफलतापूर्वक तैयार किए। संश्लेषित बोरॉन क्वांटम डॉट्स का पार्श्व आकार 2.46 ±0.4 nm और मोटाई 2.81 ±0.5 nm थी।
प्रोटोकॉल: बोरॉन क्वांटम डॉट्स तैयार करने की एक सामान्य प्रक्रिया में, पहले 30 mg बोरॉन पाउडर को तीन गर्दन वाले फ्लास्क में डाला गया और फिर अल्ट्रासोनिकेशन प्रक्रिया से पहले इस पात्र में 15 mL एसीटोनाइट्राइल मिलाया गया। एक्सफोलिएशन 400 W की आउटपुट शक्ति (उदा., UIP500hdT का उपयोग करके), 20kHz की आवृत्ति और 60 min की अल्ट्रासोनिक उपचार अवधि के साथ किया गया। अल्ट्रासोनिकेशन के दौरान विलयन को अत्यधिक गर्म होने से बचाने और तापमान स्थिर रखने के लिए बर्फ के स्नान या प्रयोगशाला चिलर से शीतलन किया गया। परिणामी विलयन को 1500 rpm पर 60 min तक अपकेंद्रित किया गया। बोरॉन क्वांटम डॉट्स युक्त अधिप्लावी द्रव को सावधानीपूर्वक निकाला गया। सभी प्रयोग कमरे के तापमान पर किए गए। (देखें Hao et al., 2020)
Wang et al. (2021) के अध्ययन में भी शोधकर्ताओं ने अल्ट्रासोनिक द्रव-चरण एक्सफोलिएशन तकनीक से बोरॉन क्वांटम डॉट्स तैयार किए। उन्हें संकीर्ण आकार वितरण, उत्कृष्ट परिक्षेपणशीलता, IPA विलयन में उच्च स्थिरता और “two-photo” प्रतिदीप्ति वाले एकसमान रूप से परिक्षिप्त बोरॉन क्वांटम डॉट्स प्राप्त हुए।
विभिन्न अल्ट्रासोनिक परिस्थितियों में तैयार किए गए BQDs के TEM चित्र और उनका संगत व्यास वितरण। (a) 400 W पर 2 h तक संश्लेषित BQDs-2 का TEM चित्र। (b) 550 W पर 1 h तक संश्लेषित BQDs-3 का TEM चित्र। (c) 400 W पर 4 h तक संश्लेषित BQDs-3 का TEM चित्र। (d) (a) से प्राप्त क्वांटम डॉट्स का व्यास वितरण। (e) (b) से प्राप्त क्वांटम डॉट्स का व्यास वितरण। (f) (c) से प्राप्त क्वांटम डॉट्स का व्यास वितरण।
अध्ययन और चित्र: ©Hao et al., 2020
मैग्नीशियम डाइबोराइड नैनोशीट्स का अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन
एक्सफोलिएशन की प्रक्रिया में 450mg मैग्नीशियम डाइबोराइड
(MgB2) पाउडर (लगभग 100 मेश आकार / 149 माइक्रोन) को 150 ml पानी में निलंबित करके 30 मिनट तक अल्ट्रासोनिकेशन किया गया। अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन किसी प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर, जैसे UP200Ht या UP400St से 30% के आयाम और 10sec चालू/बंद स्पंदों वाले चक्र मोड में किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक एक्सफोलिएशन से गहरे काले रंग का निलंबन बनता है। यह काला रंग मूल MgB2 पाउडर के रंग के कारण हो सकता है।
पानी में ग्रेफाइट के एक शल्क के ध्वनि-यांत्रिक एक्सफोलिएशन को दर्शाने वाला फ्रेमों का उच्च-गति अनुक्रम (a से f तक), जिसमें UP200S, एक 200W अल्ट्रासोनिकेटर, का उपयोग 3mm सोनोट्रोड के साथ किया गया है। तीर विभाजन (एक्सफोलिएशन) का स्थान दिखाते हैं, जहाँ कैविटेशन के बुलबुले दरार में प्रवेश कर रहे हैं।
© Tyurnina et al. 2020
किसी भी पैमाने पर बोरोफीन एक्सफोलिएशन के लिए शक्तिशाली अल्ट्रासोनिकेटर
Hielscher Ultrasonics हर आकार के मजबूत और विश्वसनीय अल्ट्रासोनिकेटरों का डिज़ाइन, निर्माण और वितरण करता है। छोटे प्रयोगशाला अल्ट्रासोनिक उपकरणों से लेकर औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोब और रिएक्टरों तक, Hielscher के पास आपकी प्रक्रिया के लिए आदर्श अल्ट्रासोनिक प्रणाली है। नैनोमटेरियल संश्लेषण और परिक्षेपण जैसे अनुप्रयोगों में लंबे अनुभव के आधार पर, हमारे सुप्रशिक्षित कर्मचारी आपकी आवश्यकताओं के लिए सबसे उपयुक्त उपकरण व्यवस्था की सिफारिश करेंगे। Hielscher के औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर औद्योगिक संयंत्रों में लगातार काम करने वाले विश्वसनीय उपकरणों के रूप में जाने जाते हैं। अत्यधिक उच्च आयाम प्रदान करने में सक्षम Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर बोरोफीन या ग्राफीन एक्सफोलिएशन तथा नैनोमटेरियल परिक्षेपण जैसे उच्च-प्रदर्शन अनुप्रयोगों के लिए आदर्श हैं। 200µm तक के आयामों पर 24/7 संचालन में आसानी से लगातार काम किया जा सकता है। इससे भी अधिक आयामों के लिए अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं।
सभी Hielscher सोनिकेटरों और सहायक उपकरणों का डिज़ाइन और निर्माण जर्मनी में स्थित मुख्यालय में किया जाता है। ग्राहक को भेजने से पहले प्रत्येक अल्ट्रासोनिक उपकरण का पूर्ण लोड पर सावधानीपूर्वक परीक्षण किया जाता है। हम ग्राहक संतुष्टि के लिए प्रयासरत हैं और हमारी उत्पादन व्यवस्था सर्वोच्च गुणवत्ता आश्वासन (उदा., ISO प्रमाणन) की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए संरचित है।
- उच्च दक्षता
- अत्याधुनिक तकनीक
- विश्वसनीयता और मजबूती
- बैच और इनलाइन
- किसी भी आयतन के लिए
- बुद्धिमान सॉफ़्टवेयर
- स्मार्ट सुविधाएँ (जैसे, डेटा रिकॉर्ड करना)
- CIP (उपकरण को उसके स्थान पर ही साफ़ करना)
नीचे दी गई तालिका हमारे अल्ट्रासोनिकेटरों की अनुमानित प्रसंस्करण क्षमता का संकेत देती है:
| बैच आयतन | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 1 से 500mL | 10 से 200mL/min | UP100H |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 से 100L | 2 से 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 से 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | इससे अधिक | इन उपकरणों का समूह: UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics प्रयोगशाला, पायलट और औद्योगिक स्तर पर मिश्रण संबंधी अनुप्रयोगों, परिक्षेपण, पायसीकरण और निष्कर्षण के लिए उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र बनाता है।
साहित्य / संदर्भ
- 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.
जानने योग्य तथ्य
बोरोफीन क्या है?
बोरोफीन बोरॉन की एक क्रिस्टलीय परमाण्विक एकल परत है, अर्थात यह बोरॉन का एक द्विआयामी अपररूप है (जिसे बोरॉन नैनोशीट भी कहा जाता है)। इसके अद्वितीय भौतिक और रासायनिक गुण बोरोफीन को अनेक औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए एक मूल्यवान पदार्थ बनाते हैं।
बोरोफीन के असाधारण भौतिक और रासायनिक गुणों में अद्वितीय यांत्रिक, तापीय, इलेक्ट्रॉनिक, प्रकाशिक और अतिचालक विशेषताएँ शामिल हैं।
इससे क्षार धातु आयन बैटरियों, Li-S बैटरियों, हाइड्रोजन भंडारण, सुपरकैपेसिटर, ऑक्सीजन अपचयन और उत्सर्जन, तथा CO2 के विद्युत अपचयन अभिक्रिया संबंधी अनुप्रयोगों में बोरोफीन के उपयोग की संभावनाएँ खुलती हैं। बैटरियों के लिए एनोड पदार्थ और हाइड्रोजन भंडारण पदार्थ के रूप में बोरोफीन में विशेष रूप से बहुत रुचि दिखाई जा रही है। उच्च सैद्धांतिक विशिष्ट क्षमताओं, इलेक्ट्रॉनिक चालकता और आयन परिवहन गुणों के कारण बोरोफीन बैटरियों के लिए एक उत्कृष्ट एनोड पदार्थ है। बोरोफीन पर हाइड्रोजन के अधिशोषण की उच्च क्षमता के कारण इसमें हाइड्रोजन भंडारण की अपार संभावनाएँ हैं – इसकी भंडारण क्षमता इसके भार के 15% से अधिक है।
हाइड्रोजन भंडारण के लिए बोरोफीन का उपयोग कैसे किया जाता है?
बोरॉन के कम परमाणु द्रव्यमान और सतह पर स्थापित क्षार धातुओं की स्थिरता के कारण द्विआयामी (2D) बोरॉन आधारित पदार्थ H2 भंडारण माध्यमों के रूप में बहुत ध्यान आकर्षित कर रहे हैं; ये गुण H2 के साथ अंतःक्रियाओं को बढ़ाते हैं। द्विआयामी बोरोफीन नैनोशीट, जिन्हें ऊपर वर्णित अल्ट्रासोनिक द्रव प्रावस्था एक्सफोलिएशन का उपयोग करके आसानी से संश्लेषित किया जा सकता है, ने सतह पर स्थापित किए जाने वाले विभिन्न धातु परमाणुओं के प्रति अच्छा आकर्षण दिखाया है, जिसमें धातु परमाणुओं के समूह बन सकते हैं। विभिन्न बोरोफीन बहुरूपों की सतह पर Li, Na, Ca और Ti जैसी विभिन्न धातुओं को स्थापित करके 6 से 15 wt % तक के प्रभावशाली H2 भारमितीय घनत्व प्राप्त किए गए हैं, जो वाहन में भंडारण के लिए अमेरिकी ऊर्जा विभाग (DOE) की 6.5wt% H2 की आवश्यकता से अधिक हैं। (देखें Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र बनाता है, जिनके आकार प्रयोगशाला स्तर से लेकर औद्योगिक स्तर तक होते हैं।