Borofén ultrahangos szintézise ipari léptékben
A borofén, a bór kétdimenziós, nanoszerkezetű származéka, egyszerű és alacsony költségű ultrahangos exfoliálással hatékonyan szintetizálható. Az ultrahangos folyadékfázisú exfoliálás nagy mennyiségű, kiváló minőségű borofén nanolemez előállítására használható. Az ultrahangos exfoliálási technikát széles körben alkalmazzák 2D nanoanyagok (pl. grafén) előállítására, és jól ismert előnyei közé tartoznak a kiváló minőségű nanolemezek, a nagy hozam, a gyors és egyszerű működtetés, valamint az általános hatékonyság.
Ultrahangos exfoliálási módszer borofén előállítására
Az ultrahang által hajtott folyadékfázisú exfoliálást széles körben alkalmazzák 2D nanolemezek előállítására különféle tömbi kiindulási anyagokból, többek között grafitból (grafén) és bórból (borofén). A kémiai exfoliálási technikával összehasonlítva az ultrahanggal segített folyadékfázisú exfoliálást ígéretesebb stratégiának tekintik a 0D és 2D nanoszerkezetek, például a bór kvantumpontok (BQDs) és a borofén előállítására. (vö. Wang et al., 2021)
A bal oldali vázlat a 2D, néhány rétegű borofénlemezek alacsony hőmérsékletű, ultrahangos folyadékfázisú exfoliálási folyamatát mutatja be. (Tanulmány és kép: ©Lin et al., 2021.)
Szonokémiai reaktor 2000 wattos UIP2000hdT ipari ultrahangos processzorral felszerelve, borofén nagyüzemi exfoliálásához.
Esettanulmányok a borofén ultrahangos exfoliálásáról
A nagy teljesítményű ultrahanggal végzett, folyadékfázisú exfoliálást és delaminálást széles körben tanulmányozták, és sikeresen alkalmazták borofénre, valamint más bórszármazékokra, például bór kvantumpontokra, bór-nitridre vagy magnézium-diboridra.
α-borofén
Göktuna és Taşaltın (2021) tanulmányában az α-borofént egyszerű és alacsony költségű ultrahangos exfoliálással állították elő. Az ultrahanggal szintetizált borofén nanolemezek α-borofén kristályszerkezetet mutatnak.
Eljárás: 100 mg bór mikrorészecskét 100 ml DMF-ben, 200 W teljesítménnyel (pl. S26d14 szonotródával felszerelt UP200St készülékkel), 4h időtartamig kezeltek ultrahanggal egy nitrogén (N2) szabályozott áramlásával működő kamrában, hogy megakadályozzák az oxidációt az ultrahangos folyadékfázisú exfoliálás során. Az exfoliált bórrészecskék oldatát 5000 rpm, illetve 12 000 rpm fordulatszámon, egyenként 15 min időtartamig centrifugálták, majd a borofént gondosan összegyűjtötték, és vákuumban, 50ºC hőmérsékleten, 4h időtartamig szárították. (vö. Göktuna and Taşaltın, 2021)
A szondás ultrahanggal segített szolvotermikus kezelési eljárással exfoliált, néhány rétegű borofén sematikus ábrázolása.
Tanulmány és kép: ©Zhang et al., 2020
Néhány rétegű borofén
Zhang et al. (2020) egy acetonos, szolvotermikus folyadékfázisú exfoliálási technikáról számolnak be, amely lehetővé teszi nagy vízszintes méretű, kiváló minőségű borofén előállítását. Az aceton duzzasztó hatását kihasználva a bórpor kiindulási anyagot először acetonnal nedvesítették meg. Ezután a nedvesített bór kiindulási anyagot acetonban, 200ºC hőmérsékleten további szolvotermikus kezelésnek vetették alá, majd szondás ultrahangos készülékkel, 225 W teljesítménnyel, 4h időtartamig kezelték ultrahanggal. Végül néhány bórrétegből álló, akár 5,05 mm vízszintes méretű borofént nyertek. Az acetonos, szolvotermikusan segített folyadékfázisú exfoliálási technika nagy vízszintes méretű és kiváló minőségű bór nanolemezek előállítására használható. (vö. Zhang et al., 2020)
Az ultrahanggal exfoliált borofén XRD-diffraktogramját a tömbi bór kiindulási anyagéval összehasonlítva hasonló XRD-diffraktogram figyelhető meg. A fő diffrakciós csúcsok többsége a b-romboéderes bórhoz rendelhető, ami arra utal, hogy a kristályszerkezet az exfoliálási kezelés előtt és után közel változatlan marad.
Kis felbontású (a) és nagy felbontású (b) SEM-felvételek az acetonban, ultrahanggal segített szolvotermikus exfoliálással előállított, néhány rétegű borofénről
Tanulmány és kép: ©Zhang et al., 2020
A kezeletlen tömbi bór és a szondás ultrahanggal segített szolvotermikus exfoliálással előállított, néhány rétegű borofén XRD-diffraktogramjai (a) és Raman-spektrumai (b).
Tanulmány és kép: ©Zhang et al., 2020
Bór kvantumpontok szonokémiai szintézise
Hao et al. (2020) sikeresen állítottak elő nagy mennyiségű, egyenletes kristályos félvezető bór kvantumpontot (BQDs) expandált bórporból acetonitrilben, egy erősen poláris szerves oldószerben, nagy teljesítményű szondás ultrahangos készülékkel (pl. UP400St, UIP500hdT vagy UIP1000hdT). A szintetizált bór kvantumpontok oldalirányú mérete 2,46 ±0,4 nm, vastagsága pedig 2,81 ±0,5 nm volt.
Eljárás: A bór kvantumpontok szokásos előállítása során először 30 mg bórport helyeztek egy háromnyakú lombikba, majd az ultrahangos kezelés előtt 15 mL acetonitrilt adtak az edénybe. Az exfoliálást 400 W kimeneti teljesítménnyel (pl. a következő készülékkel: UIP500hdT), 20kHz frekvencián, 60 min ultrahangos kezelési idővel végezték. Az oldat ultrahangos kezelés közbeni túlmelegedésének elkerülésére jégfürdővel vagy laboratóriumi hűtőberendezéssel biztosították az állandó hőmérsékletet. A kapott oldatot 1500 rpm fordulatszámon, 60 min időtartamig centrifugálták. A bór kvantumpontokat tartalmazó felülúszót óvatosan eltávolították. Minden kísérletet szobahőmérsékleten végeztek. (vö. Hao et al., 2020)
Wang et al. (2021) tanulmányában a kutatók szintén ultrahangos folyadékfázisú exfoliálási technikával állítottak elő bór kvantumpontokat. Szűk méreteloszlású, kiváló diszpergálhatóságú, IPA-oldatban nagy stabilitású, „two-photo” fluoreszcenciát mutató monodiszperz bór kvantumpontokat nyertek.
A különböző ultrahangos körülmények között előállított BQDs TEM-felvételei és a hozzájuk tartozó átmérőeloszlások. (a) A 400 W teljesítménnyel, 2 h időtartam alatt szintetizált BQDs-2 TEM-felvétele. (b) Az 550 W teljesítménnyel, 1 h időtartam alatt szintetizált BQDs-3 TEM-felvétele. (c) A 400 W teljesítménnyel, 4 h időtartam alatt szintetizált BQDs-3 TEM-felvétele. (d) Az (a) felvételből meghatározott kvantumpont-átmérőeloszlás. (e) A (b) felvételből meghatározott kvantumpont-átmérőeloszlás. (f) A (c) felvételből meghatározott kvantumpont-átmérőeloszlás.
Tanulmány és kép: ©Hao et al., 2020
Magnézium-diborid nanolemezek ultrahangos exfoliálása
Az exfoliálást 450mg magnézium-diborid
(MgB2) por (kb. 100 mesh szemcseméret / 149 mikrométer) 150 ml vízben történő szuszpendálásával és 30 perces ultrahangos kezelésével végezték. Az ultrahangos exfoliálás szondás ultrahangos készülékkel is elvégezhető, például UP200Ht vagy UP400St készülékkel, 30% amplitúdóval és 10sec be-/kikapcsolási impulzusokat alkalmazó ciklikus üzemmódban. Az ultrahangos exfoliálás sötétfekete szuszpenziót eredményez. A fekete szín a kezeletlen MgB2 por színének tulajdonítható.
Nagy sebességű képkockasorozat (a-tól f-ig), amely egy grafitpehely vízben történő szonomechanikai exfoliálását szemlélteti egy UP200S típusú, 200W teljesítményű ultrahangos készülékkel és 3mm méretű szonotródával. A nyilak a szétválás (exfoliálás) helyét mutatják, ahol kavitációs buborékok hatolnak a résbe.
© Tyurnina et al. 2020
Nagy teljesítményű ultrahangos készülékek borofén exfoliálásához bármilyen léptékben
A Hielscher Ultrasonics robusztus és megbízható ultrahangos készülékeket tervez, gyárt és forgalmaz minden méretben. A kompakt laboratóriumi ultrahangos készülékektől az ipari ultrahangos szondákig és reaktorokig a Hielscher az Ön folyamatához ideális ultrahangos rendszerrel rendelkezik. Jól képzett munkatársaink a nanoanyagok szintéziséhez és diszpergálásához hasonló alkalmazások terén szerzett sokéves tapasztalatuk alapján az Ön igényeinek leginkább megfelelő összeállítást ajánlják. A Hielscher ipari ultrahangos processzorai az ipari üzemek megbízható igáslovaiként ismertek. A nagyon nagy amplitúdók előállítására képes Hielscher ultrahangos készülékek ideálisak a nagy teljesítményt igénylő alkalmazásokhoz, például borofén vagy grafén exfoliálásához, valamint nanoanyagok diszpergálásához. Akár 200µm amplitúdó is könnyedén fenntartható folyamatosan, 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre.
Minden Hielscher ultrahangos készüléket és tartozékot a németországi központban terveznek és gyártanak. A vevőnek történő kiszállítás előtt minden ultrahangos készüléket gondosan tesztelünk teljes terhelés mellett. Ügyfeleink elégedettségére törekszünk, és termelésünket úgy alakítottuk ki, hogy megfeleljen a legmagasabb minőségbiztosítási követelményeknek (pl. ISO-tanúsítás).
- nagy hatékonyság
- csúcstechnológia
- megbízhatóság és robusztusság
- szakaszos és inline működés
- bármilyen térfogathoz
- intelligens szoftver
- intelligens funkciók (pl. adatnaplózás)
- CIP (helyben történő tisztítás)
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | készülékcsoport: UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt keverési alkalmazásokhoz, diszpergáláshoz, emulgeáláshoz és extrakcióhoz laboratóriumi, kísérleti üzemi és ipari léptékben.
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.
Hasznos tudnivalók
Mi a borofén?
A borofén a bór kristályos, egyetlen atomrétegből álló formája, azaz a bór kétdimenziós allotrópja (bór nanolemeznek is nevezik). Egyedülálló fizikai és kémiai jellemzői számos ipari alkalmazás számára értékes anyaggá teszik.
A borofén rendkívüli fizikai és kémiai tulajdonságai közé egyedülálló mechanikai, termikus, elektronikai, optikai és szupravezető jellemzők tartoznak.
Ez lehetőséget teremt a borofén alkalmazására alkálifémion-akkumulátorokban, Li-S akkumulátorokban, hidrogéntárolásban, szuperkondenzátorokban, oxigénredukcióban és oxigénfejlesztésben, valamint CO2 elektroredukciós reakcióban. Különösen nagy érdeklődés övezi a borofént akkumulátorok anódanyagaként és hidrogéntároló anyagként. Nagy elméleti fajlagos kapacitása, elektronvezető képessége és iontranszport-tulajdonságai miatt a borofén kiváló anódanyag akkumulátorokhoz. A borofén nagy hidrogénadszorpciós kapacitása révén jelentős lehetőségeket kínál a hidrogéntárolásban – a tömegének több mint 15%-át elérő tárolókapacitással.
Hogyan használják a borofént hidrogéntárolásra?
A kétdimenziós (2D), bóralapú anyagok nagy figyelmet kapnak H2-tároló közegként a bór kis atomtömege és a felületre felvitt alkálifémek stabilitása miatt, amelyek fokozzák a H2-vel való kölcsönhatásokat. A kétdimenziós borofén nanolemezek, amelyek a fent leírt ultrahangos folyadékfázisú exfoliálással könnyen szintetizálhatók, jó affinitást mutattak a felületre felvitt különféle fématomok iránt; ezekben a fématomok klasztereket képezhetnek. Különféle fémek, például Li, Na, Ca és Ti különböző borofén-polimorfok felületére történő felvitelével lenyűgöző, 6–15 wt % közötti gravimetrikus H2-sűrűségeket értek el, amelyek meghaladják az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériumának (DOE) fedélzeti tárolásra vonatkozó, 6,5wt% H2 követelményét. (vö. Habibi et al., 2021)
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorokat gyárt laboratóriumi mérettől ipari méretig.