Ultrazvučna sinteza borofena u industrijskim razmjerima
Borofen, dvodimenzionalni nanostrukturirani derivat bora, može se učinkovito sintetizirati pomoću jednostavnog i jeftinog ultrazvučnog pilinga. Ultrazvučna eksfolijacija u tekućoj fazi može se koristiti za proizvodnju velikih količina borofenskih nanoploča visoke kvalitete. Ultrazvučna tehnika eksfolijacije naširoko se koristi za proizvodnju 2D nanomaterijala (npr. grafena) i dobro je poznata po svojim prednostima visokokvalitetnih nanoploča, visokim prinosima, brzom i jednostavnom radu, kao i ukupnoj učinkovitosti.
Ultrazvučna metoda eksfolijacije za pripremu borofena
Eksfolijacija u tekućoj fazi vođena ultrazvučnim putem naširoko se koristi za pripremu 2D nanoploča od raznih skupnih prekursora uključujući grafit (grafen), bor (borofen) među ostalima. U usporedbi s tehnikom kemijske eksfolijacije, ultrazvučno potpomognuta eksfolijacija tekuće faze smatra se strategijom koja više obećava za pripremu 0D i 2D nanostruktura kao što su kvantne točke bora (BQD) i borofen. (usp. Wang i sur., 2021.)
Shema lijevo prikazuje ultrazvučni postupak tekućeg pilinga niske temperature 2D višeslojnih ploča borofena. (Studija i slika: ©Lin et al., 2021.)
Sonokemijski reaktor opremljen a Industrijski ultrazvučni procesor od 2000 W UIP2000hdT za veliki borofenski piling.
Studije slučaja ultrazvučnog borofenskog pilinga
Eksfolijacija i delaminacija korištenjem snažnog ultrazvuka u procesu tekuće faze naširoko je proučavana i uspješno primijenjena na borofen i druge derivate bora kao što su kvantne točke bora, borov nitrid ili magnezijev diborid.
α-borofen
U studiji koju su proveli Göktuna i Taşaltın (2021.), α borofen je pripremljen pomoću jednostavnog i jeftinog ultrazvučnog pilinga. Ultrazvučno sintetizirani borofenski nanoplohe pokazuju kristalnu strukturu α borofena.
Protokol: 100 mg mikročestica bora sonicirano je u 100 ml DMF-a na 200 W (npr. korištenjem UP200St sa S26d14) 4 sata u dušiku (N2) Kabina s kontroliranim protokom kako bi se spriječila oksidacija tijekom ultrazvučnog procesa eksfolijacije u tekućoj fazi. Otopina oljuštenih čestica bora je centrifugirana s 5000 okretaja u minuti odnosno 12000 okretaja u minuti tijekom 15 minuta, zatim je borofen pažljivo sakupljen i sušen u vakuumu 4 sata na 50°C. (usp. Göktuna i Taşaltın, 2021.)
Shematska ilustracija borofena s nekoliko slojeva odljuštenih ultrazvučno potpomognutim solvotermalnim postupkom obrade.
Studija i slika: ©Zhang et al., 2020
Višeslojni borofen
Zhang i sur. (2020.) izvješćuju o tehnici eksfolijacije s acetonskom solvotermalnom tekućinom, koja omogućuje proizvodnju borofena visoke kvalitete velike horizontalne veličine. Koristeći učinak bubrenja acetona, prekursor praha bora je prvo namočen u acetonu. Zatim je navlaženi prekursor bora dalje solvotermički tretiran u acetonu na 200ºC, nakon čega je uslijedila sonikacija sonikatorom tipa sonde na 225 W tijekom 4 sata. Na kraju je dobiven borofen s nekoliko slojeva bora i horizontalne veličine do 5,05 mm. Tehnika eksfolijacije tekuće faze potpomognuta solvotermalnom acetonom može se koristiti za pripremu nanoploča bora velikih horizontalnih veličina i visoke kvalitete. (usp. Zhang et al., 2020.)
Kada se XRD uzorak ultrazvučno oljuštenog borofena uspoređuje s glavnim prekursorom bora, može se uočiti sličan XRD uzorak. Većina glavnih difrakcijskih vrhova može se indeksirati s b-romboedarskim borom, što sugerira da je kristalna struktura gotovo očuvana prije i nakon tretmana eksfolijacijom.
SEM slike niske rezolucije (a) i visoke rezolucije (b) borofena s nekoliko slojeva dobivenih ultrazvučno potpomognutom solvotermalnom eksfolijacijom u acetonu
Studija i slika: ©Zhang et al., 2020
XRD uzorci (a) i Raman spektri (b) netretiranog skupnog bora i borofena s nekoliko slojeva dobiveni ultrazvučno potpomognutom solvotermalnom eksfolijacijom.
Studija i slika: ©Zhang et al., 2020
Sonokemijska sinteza kvantnih točaka bora
Hao i sur. (2020.) uspješno su pripremili velike i jednolike kristalne poluvodičke borove kvantne točke (BQD) iz ekspandiranog praha bora u acetonitrilu, visoko polarnom organskom otapalu, koristeći snažan ultrazvučni uređaj tipa sonde (npr. UP400St, UIP500hdT ili UIP1000hdT). Sintetizirane kvantne točke bora bočne veličine 2,46 ±0,4 nm i debljine 2,81 ±0,5 nm.
Protokol: U tipičnoj pripremi kvantnih točaka bora, 30 mg praha bora prvo je dodano u tikvicu s tri grla, a zatim je u bocu dodano 15 mL acetonitrila prije procesa ultrazvučne obrade. Piling je izveden pri izlaznoj snazi od 400 W (npr. pomoću UIP500hdT), frekvencija 20kHz i ultrazvučno vrijeme od 60 min. Kako bi se izbjeglo pregrijavanje otopine tijekom ultrazvučne obrade, primijenjeno je hlađenje pomoću ledene kupelji ili laboratorijskog hladnjaka za stalnu temperaturu. Dobivena otopina je centrifugirana na 1500 okretaja u minuti 60 minuta. Supernatant koji je sadržavao kvantne točke bora je nježno ekstrahiran. Svi eksperimenti su provedeni na sobnoj temperaturi. (usp. Hao et al., 2020.)
U studiji Wang i sur. (2021.), istraživač također priprema kvantne točke bora koristeći ultrazvučnu tehniku eksfolijacije tekuće faze. Dobili su monodisperznu kvantnu točku bora s uskom raspodjelom veličina, izvrsnom disperzibilnošću, visokom stabilnošću u IPA otopini i dvofoto fluorescencijom.
TEM slike i odgovarajuća distribucija promjera BQD-ova pripremljenih pod različitim ultrazvučnim uvjetima. (a) TEM slika BQDs-2 sintetizirana na 400 W tijekom 2 sata. (b) TEM slika BQDs-3 sintetizirana na 550 W tijekom 1 sata. (c) TEM slika BQDs-3 sintetizirana na 400 W tijekom 4 sata. (d) Distribucija promjera kvantnih točaka dobivena iz (a). (e) Distribucija promjera kvantnih točaka dobivena iz (b). (f) Distribucija promjera kvantnih točaka dobivena iz (c).
Studija i slika: ©Hao et al., 2020
Ultrazvučno ljuštenje nanoploča magnezijevog diborida
Proces eksfolijacije proveden je suspendiranjem 450 mg magnezijevog diborida
(MgB2) prah (približno 100 veličina oka / 149 mikrona) u 150 ml vode i izlaganje ultrazvučnoj obradi 30 minuta. Ultrazvučni piling može se izvesti ultrazvučnim aparatom tipa sonde kao što je UP200Ht ili UP400St s amplitudom od 30% i ciklusom od 10 sekundi uključeno/isključeno impulsa. Ultrazvučni piling rezultira tamno crnom suspenzijom. Crna boja može se pripisati boji netaknutog praha MgB2.
Slijed velike brzine (od a do f) okvira koji ilustrira sono-mehaničko ljuštenje grafitne pahuljice u vodi pomoću UP200S, ultrazvučni uređaj od 200 W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto rascjepa (eksfolijacije) s kavitacijskim mjehurićima koji prodiru kroz rascjep.
© Tyurnina i sur. 2020
Snažni ultrazvučni uređaji za borofensku eksfolijaciju u svim razmjerima
Hielscher Ultrasonics dizajnira, proizvodi i distribuira robusne i pouzdane ultrazvučne uređaje svih veličina. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih ultrazvučnih sondi i reaktora, Hielscher ima idealan ultrazvučni sustav za vaš proces. S dugogodišnjim iskustvom u primjenama kao što su sinteza i disperzija nanomaterijala, naše dobro obučeno osoblje preporučit će vam najprikladniju postavku za zahtjeve ypoura. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori poznati su kao pouzdani radni konji u industrijskim pogonima. Sposobni za isporuku vrlo visokih amplituda, Hielscher ultrasonicators su idealni za aplikacije visokih performansi kao što su borofen ili grafen piling, kao i nanomaterijalne disperzije. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Sva oprema dizajnirana je i proizvedena u našem sjedištu u Njemačkoj. Prije isporuke kupcu, svaki ultrazvučni uređaj pažljivo se testira pod punim opterećenjem. Težimo zadovoljstvu kupaca i naša je proizvodnja strukturirana tako da ispunjava najvišu razinu osiguranja kvalitete (npr. ISO certifikat).
- visoka efikasnost
- Najnovija tehnologija
- pouzdanost & robusnost
- serija & u redu
- za bilo koji volumen
- inteligentni softver
- pametne značajke (npr. protokoliranje podataka)
- CIP (čišćenje na mjestu)
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Literatura / Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
borofen
Borofen je kristalni atomski monosloj bora, tj. on je dvodimenzionalni alotrop bora (također nazvan borov nanosloj). Njegove jedinstvene fizičke i kemijske karakteristike pretvaraju borofen u vrijedan materijal za brojne industrijske primjene.
Iznimna fizikalna i kemijska svojstva borofena uključuju jedinstvene mehaničke, toplinske, elektronske, optičke i supravodljive aspekte.
To otvara mogućnosti korištenja borofena za primjene u ionskim baterijama alkalnih metala, Li-S baterijama, skladištenju vodika, superkondenzatoru, redukciji i oslobađanju kisika, kao i reakciji elektroredukcije CO2. Osobito je velik interes za borofen kao anodni materijal za baterije i kao materijal za skladištenje vodika. Zbog visokih teoretskih specifičnih kapaciteta, elektroničke vodljivosti i svojstava prijenosa iona, borofen se kvalificira kao odličan anodni materijal za baterije. Zbog visokog kapaciteta adsorpcije vodika na borofen, nudi veliki potencijal za skladištenje vodika – s kapacitetom strganja preko 15% njegove težine.
Borofen za skladištenje vodika
Dvodimenzionalni (2D) materijali na bazi bora dobivaju veliku pozornost kao mediji za pohranjivanje H2 zbog niske atomske mase bora i stabilnosti ukrašavanja alkalnih metala na površini, koji poboljšavaju interakcije s H2. Dvodimenzionalne borofenske nanoplohe, koje se lako mogu sintetizirati korištenjem ultrazvučne eksfolijacije u tekućoj fazi, kao što je gore opisano, pokazale su dobar afinitet za različite atome koji ukrašavaju metal, u kojima može doći do grupiranja metalnih atoma. Upotrebom raznih metalnih ukrasa, kao što su Li, Na, Ca i Ti na različitim polimorfima borofena, dobivene su impresivne H2 gravimetrijske gustoće u rasponu od 6 do 15 wt %, što premašuje zahtjeve Ministarstva energije SAD-a (DOE) za skladištenje na brodu od 6,5 tež. % H2. (usp. Habibi i sur., 2021.)
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.