Ultrazvučni piling Xenes
Xenes su 2D monoelementarni nanomaterijali s izvanrednim svojstvima kao što su vrlo velika površina, anizotropna fizikalna/kemijska svojstva uključujući superiornu električnu vodljivost ili vlačnu čvrstoću. Ultrazvučna eksfolijacija ili delaminacija je učinkovita i pouzdana tehnika za proizvodnju jednoslojnih 2D nanoploča od slojevitih materijala prekursora. Ultrazvučna eksfolijacija već je uspostavljena za proizvodnju visokokvalitetnih ksenskih nanoploča u industrijskim razmjerima.
kseni – Jednoslojne nanostrukture
Kseni su jednoslojni (2D), jednoelementarni nanomaterijali koji imaju strukturu sličnu grafenu, kovalentnu vezu unutar sloja i slabe van der Waalsove sile između slojeva. Primjeri materijala koji su dio ksenske klase su borofen, silicen, germanen, stanen, fosforen (crni fosfor), arsenen, bizmuten, te telureen i antimonen. Zbog svoje jednoslojne 2D strukture, ksenske nanomaterijale karakterizira vrlo velika površina, kao i poboljšana kemijska i fizička reaktivnost. Ove strukturne karakteristike daju ksenskim nanomaterijalima impresivna fotonska, katalitička, magnetska i elektronska svojstva i čine te nanostrukture vrlo zanimljivima za brojne industrijske primjene. Slika lijevo prikazuje SEM slike ultrazvučno oljuštenog borofena.
Reaktor sa Ultrazvučni uređaj od 2000 W UIP2000hdT za eksfolijaciju ksenskih nanoploča u velikim razmjerima.
Proizvodnja Xenes nanomaterijala korištenjem ultrazvučne delaminacije
Tekući piling slojevitih nanomaterijala: Jednoslojni 2D nanoploče proizvode se od anorganskih materijala sa slojevitim strukturama (npr. grafit) koji se sastoje od labavo naslaganih slojeva domaćina koji pokazuju širenje galerije od sloja do sloja ili bubrenje nakon interkalacije određenih iona i/ili otapala. Eksfolijacija, u kojoj se slojevita faza cijepa u nanoplohe, obično prati bubrenje zbog brzog slabljenja elektrostatskog privlačenja između slojeva koje stvara koloidne disperzije pojedinačnih 2D slojeva ili ploča. (usp. Geng et al, 2013.) Općenito je poznato da oticanje olakšava eksfolijaciju ultrazvučnom obradom i rezultira negativno nabijenim nanoplohama. Kemijska prethodna obrada također olakšava piling pomoću sonikacije u otapalima. Na primjer, funkcionalizacija omogućuje ljuštenje slojevitih dvostrukih hidroksida (LDH) u alkoholima. (usp. Nicolosi i sur., 2013.)
Za ultrazvučnu eksfolijaciju/delaminaciju slojeviti materijal se izlaže snažnim ultrazvučnim valovima u otapalu. Kada se ultrazvučni valovi guste energije spoje u tekućinu ili kašu, dolazi do akustične ili ultrazvučne kavitacije. Ultrazvučnu kavitaciju karakterizira kolaps vakuumskih mjehurića. Ultrazvučni valovi putuju kroz tekućinu i stvaraju naizmjenične cikluse niskog? visokog tlaka. Sićušni vakuumski mjehurići nastaju tijekom ciklusa niskog tlaka (razrjeđivanja) i rastu tijekom različitih ciklusa niskog tlaka/visokog tlaka. Kada kavitacijski mjehurić dosegne točku u kojoj više ne može apsorbirati energiju, mjehurić snažno implodira i stvara lokalno vrlo guste uvjete energije. Kavitacijsku vruću točku određuju vrlo visoki pritisci i temperatura, odgovarajući pritisci i temperaturne razlike, mlaznice tekućine velike brzine i posmične sile. Ove sonomehaničke i sonokemijske sile guraju otapalo između naslaganih slojeva i razbijaju slojevite čestične i kristalne strukture, stvarajući tako ljuštene nanoplohe. Slijed slika u nastavku prikazuje proces eksfolijacije ultrazvučnom kavitacijom.
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.
Modeliranje je pokazalo da će, ako je površinska energija otapala slična onoj slojevitog materijala, energetska razlika između odljuštenog i reagregiranog stanja biti vrlo mala, uklanjajući pokretačku silu za ponovnu agregaciju. U usporedbi s alternativnim metodama miješanja i smicanja, ultrazvučne mješalice pružile su učinkovitiji izvor energije za eksfolijaciju, što je dovelo do demonstracije eksfolijacije TaS-a uz pomoć ionske interkalacije2, NbS2i MoS2, kao i slojeviti oksidi. (usp. Nicolosi et al., 2013.)
TEM slike ultrazvučno tekućih ljuštenih nanoploča: (A) Grafenska nanoploča ljuštena sonikacijom u otapalu N-metil-pirolidonu. (B) Nanoploča h-BN oljuštena sonikacijom u otapalu izopropanolu. (C) Nanoploča MoS2 oljuštena ultrazvukom u vodenoj otopini surfaktanta.
Protokoli ultrazvučnog tekućeg pilinga
Ultrazvučno ljuštenje i delaminacija ksena i drugih jednoslojnih nanomaterijala opsežno je proučavano u istraživanju i uspješno je prebačeno u fazu industrijske proizvodnje. U nastavku vam predstavljamo odabrane protokole eksfolijacije pomoću sonikacije.
Ultrazvučno ljuštenje fosforenskih nanoflakes
Fosforen (također poznat kao crni fosfor, BP) je 2D slojeviti, monoelementarni materijal formiran od atoma fosfora.
U istraživanju Passaglie i sur. (2018.), prikazana je priprema stabilnih suspenzija fosforen − metil metakrilata sonikacijom potpomognutom eksfolijacijom tekuće faze (LPE) bP u prisutnosti MMA nakon čega slijedi radikalna polimerizacija. Metil metakrilat (MMA) je tekući monomer.
Protokol za ultrazvučno tekuće eksfolijaciju fosforena
Suspenzije MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn dobivene su LPE u prisutnosti jedinog monomera. U tipičnom postupku, ~5 mg bP-a, pažljivo zdrobljenog u mužaru, stavljeno je u epruvetu, a zatim je dodana izmjerena količina MMA, Sty ili NVP. Suspenzija monomera bP sonikirana je 90 minuta pomoću Hielscher Ultrasonics homogenizatora UP200St (200 W, 26 kHz), opremljenog sonotrodom S26d2 (promjer vrha: 2 mm). Ultrazvučna amplituda održavana je konstantnom na 50% s P = 7 W. U svim slučajevima korištena je ledena kupelj za poboljšanu disipaciju topline. Konačne suspenzije MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn zatim su insuflirane s N2 15 minuta. Sve su suspenzije analizirane pomoću DLS-a, pokazujući rH vrijednosti vrlo blizu onima za DMSO_bPn. Na primjer, suspenzija MMA_bPn (sa oko 1% sadržaja bP) karakterizirana je rH = 512 ± 58 nm.
Dok druge znanstvene studije o fosforenu izvješćuju o vremenu sonikacije od nekoliko sati korištenjem ultrazvučnog čistača, otapala s visokom točkom ključanja i niskom učinkovitošću, istraživački tim tvrtke Passaglia demonstrira vrlo učinkovit protokol ultrazvučnog pilinga pomoću ultrazvučnog uređaja tipa sonde (tj. Hielscher ultrasonicator model UP200St).
Ultrazvučno ljuštenje jednoslojnih nanosloja
Da biste pročitali više detalja i protokole eksfolijacije za borofen i rutenij oksid nanoploče, molimo slijedite poveznice u nastavku:
borofen: Za protokole sonikacije i rezultate ultrazvučnog pilinga borofenom kliknite ovdje!
RuO2: Za protokole sonikacije i rezultate ultrazvučne eksfolijacije rutenij oksida nanoploča kliknite ovdje!
Ultrazvučno ljuštenje višeslojnih silicijevih nanoploča
Višeslojne ljuštene silicijeve nanoplohe pripremljene su od prirodnog vermikulita (Verm) ultrazvučnim pilingom. Za sintezu ljuštenih nanoploča silicijevog dioksida primijenjena je sljedeća metoda eksfolijacije u tekućoj fazi: 40 mg nanoploha silicijevog dioksida dispergirano je u 40 mL apsolutnog etanola. Nakon toga, smjesa je podvrgnuta ultrazvuku 2 sata pomoću Hielscher ultrazvučnog procesora UP200St, opremljenog sonotrodom od 7 mm. Amplituda ultrazvučnog vala održavana je konstantnom na 70%. Primijenjena je ledena kupelj kako bi se izbjeglo pregrijavanje. Neoljušteni SN uklonjeni su centrifugiranjem na 1000 okretaja u minuti tijekom 10 minuta. Na kraju, proizvod je dekantiran i osušen na sobnoj temperaturi pod vakuumom preko noći. (usp. Guo et al., 2022.)
Ultrazvučno ljuštenje jednoslojnih nanoploča s Ultrasonicator UP400St.
Ultrazvučni tekući piling vrlo je učinkovit za proizvodnju ksenskih nanoploča. Slika prikazuje snagu od 1000 W UIP1000hdT.
Ultrazvučne sonde i reaktori velike snage za eksfolijaciju Xenes nanoploča
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 najprikladnije postavke za vaše zahtjeve. 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 sinteza xenes i drugih 2D jednoslojnih nanomaterijala kao što su borofen, fosforen ili grafen kao i pouzdana disperzija ovih nanostruktura.
Izuzetno snažan ultrazvuk: Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.
Najviša kvaliteta – Dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj: 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).
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
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
fosforen
Fosforen (također nanoplohe? nanopahuljice crnog fosfora) pokazuju visoku pokretljivost od 1000 cm2 V–1 s–1 za uzorak debljine 5 nm s visokim omjerom ON/OFF struje od 105. Kao p-tip poluvodiča, fosforen posjeduje izravni zabranjeni pojas od 0,3 eV. Nadalje, fosforen ima izravni zabranjeni pojas koji se povećava do približno 2 eV za monosloj. Ove karakteristike materijala čine nanoploče crnog fosfora obećavajućim materijalom za industrijsku primjenu u nanoelektroničkim i nanofotonskim uređajima, koji pokrivaju cijeli raspon vidljivog spektra. (usp. Passaglia et al., 2018.) Još jedna potencijalna primjena leži u biomedicinskim primjenama, budući da relativno niska toksičnost čini korištenje crnog fosfora vrlo atraktivnim.
U klasi dvodimenzionalnih materijala, fosforen se često smješta uz grafen jer, za razliku od grafena, fosforen ima osnovni razmak različit od nule koji se može dalje modulirati naprezanjem i brojem slojeva u nizu.
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.
Borophene’s exceptional physical and chemical properties include unique mechanical, thermal, electronic, optical and superconducting facets.
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.
Pročitajte više o ultrazvučnoj sintezi i disperziji borofena!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.