Ultrazvučna sinteza borofena u industrijskim razmjerima
Borofen, dvodimenzionalni nanostrukturirani derivat bora, može se učinkovito sintetizirati jednostavnom i jeftinom ultrazvučnom eksfolijacijom. Ultrazvučna eksfolijacija u tekućoj fazi može se primjenjivati za proizvodnju velikih količina visokokvalitetnih nanoploča borofena. Tehnika ultrazvučne eksfolijacije široko se primjenjuje za proizvodnju 2D nanomaterijala (npr. grafena) i dobro je poznata po svojim prednostima: visokokvalitetnim nanopločama, visokim prinosima, brzom i jednostavnom postupku te ukupnoj učinkovitosti.
Metoda ultrazvučne eksfolijacije za pripremu borofena
Eksfolijacija u tekućoj fazi potaknuta ultrazvukom široko se primjenjuje za pripremu 2D nanoploča iz različitih masivnih prekursora, uključujući, među ostalima, grafit (grafen) i bor (borofen). U usporedbi s tehnikom kemijske eksfolijacije, eksfolijacija u tekućoj fazi potpomognuta ultrazvukom smatra se perspektivnijom strategijom za pripremu 0D i 2D nanostruktura kao što su kvantne točke bora (BQDs) i borofen. (cf. Wang et al., 2021)
Shema slijeva prikazuje postupak ultrazvučne eksfolijacije 2D ploča borofena s nekoliko slojeva u tekućini pri niskoj temperaturi. (Istraživanje i slika: ©Lin et al., 2021.)
Sonokemijski reaktor opremljen industrijskim ultrazvučnim procesorom UIP2000hdT snage 2000 vata za eksfolijaciju borofena u velikim razmjerima.
Studije slučaja ultrazvučne eksfolijacije borofena
Eksfolijacija i delaminacija primjenom ultrazvuka velike snage u postupku u tekućoj fazi opsežno su istraživane i uspješno primijenjene na borofen i druge derivate bora kao što su kvantne točke bora, borov nitrid ili magnezijev diborid.
α-borofen
U istraživanju koje su proveli Göktuna i Taşaltın (2021), α-borofen pripremljen je jednostavnom i jeftinom ultrazvučnom eksfolijacijom. Ultrazvučno sintetizirane nanoploče borofena imaju kristalnu strukturu α-borofena.
Protokol: 100 mg mikročestica bora sonicirano je u 100 ml DMF-a pri 200 W (npr. primjenom uređaja UP200St sa S26d14) tijekom 4h u komori s kontroliranim protokom dušika (N2) kako bi se spriječila oksidacija tijekom postupka ultrazvučne eksfolijacije u tekućoj fazi. Otopina eksfoliranih čestica bora centrifugirana je pri 5000 rpm i 12.000 rpm, svaki put tijekom 15 min, a zatim je borofen pažljivo prikupljen i sušen u vakuumu tijekom 4h pri 50ºC. (cf. Göktuna and Taşaltın, 2021)
Shematski prikaz borofena s nekoliko slojeva eksfoliranog postupkom solvotermalne obrade potpomognute ultrazvučnom sondom.
Istraživanje i slika: ©Zhang et al., 2020
Borofen s nekoliko slojeva
Zhang et al. (2020) opisuju tehniku solvotermalne eksfolijacije u tekućoj fazi u acetonu, koja omogućuje proizvodnju visokokvalitetnog borofena velikih lateralnih dimenzija. Iskorištavajući učinak bubrenja koji uzrokuje aceton, prekursor u obliku borova praha najprije je navlažen acetonom. Zatim je navlaženi prekursor bora dodatno solvotermalno obrađen u acetonu pri 200ºC, nakon čega je uslijedila sonikacija sonikatorom sa sondom pri 225 W tijekom 4h. Na kraju je dobiven borofen s nekoliko slojeva bora i lateralnom dimenzijom do 5,05 mm. Tehnika eksfolijacije u tekućoj fazi potpomognuta solvotermalnom obradom u acetonu može se primjenjivati za pripremu visokokvalitetnih nanoploča bora velikih lateralnih dimenzija. (cf. Zhang et al., 2020)
Kada se XRD difraktogram ultrazvučno eksfoliranog borofena usporedi s difraktogramom masivnog prekursora bora, može se uočiti sličan XRD difraktogram. Većina glavnih difrakcijskih maksimuma može se indeksirati kao b-romboedarski bor, što upućuje na to da je kristalna struktura gotovo očuvana prije i nakon eksfolijacijske obrade.
SEM snimke niske razlučivosti (a) i visoke razlučivosti (b) borofena s nekoliko slojeva dobivenog solvotermalnom eksfolijacijom u acetonu potpomognutom ultrazvukom
Istraživanje i slika: ©Zhang et al., 2020
XRD difraktogrami (a) i Ramanovi spektri (b) neobrađenog masivnog bora i borofena s nekoliko slojeva dobivenog solvotermalnom eksfolijacijom potpomognutom ultrazvučnom sondom.
Istraživanje i slika: ©Zhang et al., 2020
Sonokemijska sinteza kvantnih točaka bora
Hao i sur. (2020) uspješno su u velikim količinama pripremili jednolike kristalne poluvodičke kvantne točke bora (BQDs) iz ekspandiranog praha bora u acetonitrilu, izrazito polarnom organskom otapalu, pomoću snažnog ultrazvučnog uređaja sa sondom (npr., UP400St, UIP500hdT ili UIP1000hdT). Sintetizirane kvantne točke bora imale su bočnu dimenziju od 2,46 ±0,4 nm i debljinu od 2,81 ±0,5 nm.
Protokol: Pri tipičnoj pripremi kvantnih točaka bora najprije je u tikvicu s tri grla dodano 30 mg praha bora, a zatim je prije postupka sonikacije u tikvicu dodano 15 mL acetonitrila. Eksfolijacija je provedena pri izlaznoj snazi od 400 W (npr., pomoću uređaja UIP500hdT), frekvenciji od 20kHz i trajanju sonikacije od 60 min. Kako bi se izbjeglo pregrijavanje otopine tijekom sonikacije, za održavanje stalne temperature primijenjeno je hlađenje ledenom kupelji ili laboratorijskim rashladnim uređajem. Dobivena otopina centrifugirana je pri 1500 rpm tijekom 60 min. Supernatant koji je sadržavao kvantne točke bora pažljivo je izdvojen. Svi su pokusi provedeni pri sobnoj temperaturi. (usp. Hao i sur., 2020)
U istraživanju Wanga i sur. (2021) istraživači su također pripremili kvantne točke bora tehnikom ultrazvučne eksfolijacije u tekućoj fazi. Dobili su monodisperzne kvantne točke bora s uskom raspodjelom veličina, izvrsnom disperzibilnošću, visokom stabilnošću u otopini IPA i fluorescencijom „two-photo”.
TEM snimke i odgovarajuća raspodjela promjera BQDs pripremljenih pri različitim uvjetima sonikacije. (a) TEM snimka BQDs-2 sintetiziranih pri 400 W tijekom 2 h. (b) TEM snimka BQDs-3 sintetiziranih pri 550 W tijekom 1 h. (c) TEM snimka BQDs-3 sintetiziranih pri 400 W tijekom 4 h. (d) Raspodjela promjera kvantnih točaka dobivena iz (a). (e) Raspodjela promjera kvantnih točaka dobivena iz (b). (f) Raspodjela promjera kvantnih točaka dobivena iz (c).
Istraživanje i slika: ©Hao i sur., 2020
Ultrazvučna eksfolijacija nanolistova magnezijeva diborida
Postupak eksfolijacije proveden je suspendiranjem 450mg praha magnezijeva diborida
(MgB2) (približna veličina 100 mesh / 149 mikrometara) u 150 ml vode i izlaganjem sonikaciji tijekom 30 minuta. Ultrazvučna eksfolijacija može se provesti ultrazvučnim uređajem sa sondom kao što je UP200Ht ili UP400St pri amplitudi od 30% i u cikličkom načinu rada s impulsima uključivanja/isključivanja od 10sec. Ultrazvučna eksfolijacija rezultira tamnocrnom suspenzijom. Crna boja može se pripisati boji izvornog praha MgB2.
Niz kadrova snimljenih velikom brzinom (od a do f) koji prikazuju sonomehaničku eksfolijaciju grafitne ljuskice u vodi primjenom uređaja UP200S, ultrazvučnog uređaja snage 200W sa sonotrodom od 3mm. Strelice pokazuju mjesto razdvajanja (eksfolijacije), pri čemu kavitacijski mjehurići prodiru u pukotinu.
© Tyurnina i sur. 2020
Snažni ultrazvučni uređaji za eksfolijaciju borofena u bilo kojem mjerilu
Hielscher Ultrasonics projektira, 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. Zahvaljujući dugogodišnjem iskustvu u primjenama poput sinteze i dispergiranja nanomaterijala, naše će vam stručno osoblje preporučiti najprikladniju konfiguraciju za vaše zahtjeve. Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher poznati su kao pouzdani radni strojevi u industrijskim postrojenjima. Budući da mogu postići vrlo visoke amplitude, ultrazvučni uređaji Hielscher idealni su za visokoučinkovite primjene poput eksfolijacije borofena ili grafena te dispergiranja nanomaterijala. Amplitude do 200µm mogu se lako održavati neprekidno u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Sva se oprema projektira i proizvodi u našem sjedištu u Njemačkoj. Prije isporuke kupcu svaki se ultrazvučni uređaj pažljivo ispituje pod punim opterećenjem. Težimo zadovoljstvu kupaca, a naša je proizvodnja organizirana tako da osigurava najvišu razinu osiguranja kvalitete (npr., ISO certifikaciju).
- visoka učinkovitost
- najsuvremenija tehnologija
- pouzdanost i robusnost
- šaržna i protočna obrada
- za svaki volumen
- inteligentan softver
- pametne funkcije (npr. zapisivanje podataka)
- CIP (čišćenje na mjestu)
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | skupina uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za miješanje, dispergiranje, emulgiranje i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotnim 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.
Korisne činjenice
Borofen
Borofen je kristalni atomski monosloj bora, odnosno dvodimenzionalni alotrop bora (naziva se i nanolist bora). Njegova jedinstvena fizikalna i kemijska svojstva čine borofen vrijednim materijalom za brojne industrijske primjene.
Izvanredna fizikalna i kemijska svojstva borofena obuhvaćaju jedinstvena mehanička, toplinska, elektronička, optička i supravodljiva svojstva.
To otvara mogućnosti primjene borofena u baterijama s ionima alkalijskih metala, Li-S baterijama, pohrani vodika, superkondenzatorima, redukciji i razvijanju kisika te reakciji elektrokemijske redukcije CO2. Posebno velik interes vlada za borofenom kao anodnim materijalom za baterije i materijalom za pohranu vodika. Zbog visokih teorijskih specifičnih kapaciteta, elektronske vodljivosti i svojstava prijenosa iona, borofen je izvrstan anodni materijal za baterije. Zbog visokog kapaciteta adsorpcije vodika na borofen, on nudi velik potencijal za pohranu vodika – s kapacitetom pohrane većim od 15% vlastite mase.
Borofen za pohranu vodika
Dvodimenzionalni (2D) materijali na bazi bora privlače veliku pozornost kao mediji za pohranu H2 zbog male atomske mase bora i stabilnosti alkalijskih metala kojima je ukrašena površina, a koji pojačavaju interakcije s H2. Dvodimenzionalni nanolistovi borofena, koji se mogu lako sintetizirati ultrazvučnom eksfolijacijom u tekućoj fazi kako je prethodno opisano, pokazali su dobar afinitet prema različitim metalnim atomima kojima se ukrašava površina, pri čemu može doći do grupiranja metalnih atoma. Primjenom različitih metala za ukrašavanje površine, kao što su Li, Na, Ca i Ti, na različitim polimorfima borofena, postignute su impresivne gravimetrijske gustoće H2 u rasponu od 6 do 15 wt %, koje premašuju zahtjev Ministarstva energetike SAD-a (DOE) za pohranu H2 u vozilu od 6,5wt%. (usp. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijskih do industrijskih razmjera.