Xének ultrahangos exfoliációja

A xének olyan 2D, egyetlen elemből álló nanoanyagok, amelyek rendkívüli tulajdonságokkal rendelkeznek, például igen nagy felülettel és anizotrop fizikai / kémiai tulajdonságokkal, köztük kiemelkedő elektromos vezetőképességgel vagy szakítószilárdsággal. Az ultrahangos exfoliáció vagy delamináció hatékony és megbízható technika egyrétegű 2D nanolemezek előállítására réteges kiindulási anyagokból. Az ultrahangos exfoliáció már bevált eljárás kiváló minőségű xén-nanolemezek ipari léptékű előállítására.

Xének – Egyrétegű nanoszerkezetek

A xének egyrétegű (2D), egyetlen elemből álló nanoanyagok, amelyeket grafénszerű szerkezet, rétegen belüli kovalens kötés és a rétegek közötti gyenge van der Waals-erők jellemeznek. A xének osztályába tartozó anyagok például a borofén, a szilicén, a germanén, a sztannén, a foszforén (fekete foszfor), az arzenén, a bizmutén, a tellurén és az antimonén. Egyrétegű 2D szerkezetüknek köszönhetően a xén-nanoanyagokat igen nagy felület, valamint fokozott kémiai és fizikai reakciókészség jellemzi. Ezek a szerkezeti jellemzők figyelemre méltó fotonikai, katalitikus, mágneses és elektronikai tulajdonságokat kölcsönöznek a xén-nanoanyagoknak, és számos ipari alkalmazás szempontjából igen érdekessé teszik ezeket a nanoszerkezeteket. A bal oldali kép ultrahanggal exfoliált borofén SEM-felvételeit mutatja.

Xén-nanoanyagok előállítása ultrahangos delaminációval

Réteges nanoanyagok exfoliációja folyadékban: Az egyrétegű 2D nanolemezeket réteges szerkezetű szervetlen anyagokból (például grafitból) állítják elő, amelyek lazán egymásra rendeződött befogadó rétegekből állnak; bizonyos ionok és/vagy oldószerek interkalációjakor a rétegek közötti tér kitágul, vagy duzzadás következik be. Az exfoliáció, amelynek során a réteges fázis nanolemezekre hasad, jellemzően együtt jár a duzzadással, mivel a rétegek közötti elektrosztatikus vonzóerők gyorsan gyengülnek, ami az egyes 2D rétegek vagy lemezek kolloid diszperzióinak kialakulásához vezet. (vö. Geng et al, 2013) Általánosan ismert, hogy a duzzadás elősegíti az ultrahangos kezeléssel végzett exfoliációt, és negatív töltésű nanolemezeket eredményez. A kémiai előkezelés szintén elősegíti az oldószerekben, ultrahangos kezeléssel végzett exfoliációt. A funkcionalizálás például lehetővé teszi a réteges kettős hidroxidok (LDH-k) exfoliációját alkoholokban. (vö. Nicolosi et al., 2013)
Az ultrahangos exfoliáció / delamináció során a réteges anyagot oldószerben erőteljes ultrahanghullámoknak teszik ki. Amikor nagy energiasűrűségű ultrahanghullámokat csatolnak folyadékba vagy szuszpenzióba, akusztikus, más néven ultrahangos kavitáció lép fel. Az ultrahangos kavitációt vákuumbuborékok összeomlása jellemzi. Az ultrahanghullámok áthaladnak a folyadékon, és váltakozó alacsony nyomású / magas nyomású ciklusokat hoznak létre. A parányi vákuumbuborékok egy alacsony nyomású (ritkulási) ciklus során keletkeznek, és több alacsony nyomású / magas nyomású cikluson át növekednek. Amikor egy kavitációs buborék eléri azt a pontot, ahol már nem képes további energiát elnyelni, hevesen összeroppan, és helyileg igen nagy energiasűrűségű körülményeket hoz létre. A kavitációs forró pontot igen magas nyomás és hőmérséklet, az ezekhez tartozó nyomás- és hőmérséklet-különbségek, nagy sebességű folyadéksugarak és nyíróerők jellemzik. Ezek a szonomechanikai és szonokémiai erők az egymásra rendeződött rétegek közé nyomják az oldószert, és felbontják a réteges részecske- és kristályszerkezeteket, így exfoliált nanolemezeket hoznak létre. Az alábbi képsor az ultrahangos kavitációval végbemenő exfoliáció folyamatát szemlélteti.

Nagy sebességgel rögzített képkockák sorozata (a-tól f-ig), amely egy vízben lévő grafitpehely szonomechanikai exfoliációját szemlélteti az UP200S 200W teljesítményű ultrahangos készülék 3-mm-es szonotródával történő használata során. A nyilak a hasadás (exfoliáció) helyét mutatják, ahol a kavitációs buborékok behatolnak a résbe.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

A modellezés kimutatta, hogy ha az oldószer felületi energiája hasonló a réteges anyagéhoz, az exfoliált és az újraaggregálódott állapot közötti energiakülönbség igen kicsi lesz, így megszűnik az újraaggregálódás hajtóereje. Az alternatív keverési és nyírási módszerekkel összehasonlítva az ultrahangos keverők hatékonyabb energiaforrást biztosítottak az exfoliációhoz, ami lehetővé tette az ioninterkalációval elősegített exfoliáció bemutatását a következő anyagok esetében: TaS₂, NbS₂ és MoS₂, valamint réteges oxidok. (vö. Nicolosi et al., 2013)

Folyadékban, ultrahanggal exfoliált nanolemezek TEM-felvételei: (A) N-metil-pirrolidon oldószerben, ultrahangos kezeléssel exfoliált grafén-nanolemez. (B) Izopropanol oldószerben, ultrahangos kezeléssel exfoliált h-BN-nanolemez. (C) Vizes felületaktívanyag-oldatban, ultrahangos kezeléssel exfoliált MoS2-nanolemez.
(Tanulmány és képek: ©Nicolosi et al., 2013)

Folyadékban végzett ultrahangos exfoliációs protokollok

A xének és más egyrétegű nanoanyagok ultrahangos exfoliációját és delaminációját széles körben vizsgálták a kutatások során, és sikeresen átültették az ipari termelésbe. Az alábbiakban válogatott, ultrahangos kezelést alkalmazó exfoliációs protokollokat mutatunk be.

Foszforén-nanopelyhek ultrahangos exfoliációja

A foszforén (más néven fekete foszfor, BP) foszforatomokból felépülő, 2D réteges, egyetlen elemből álló anyag.
Passaglia et al. (2018) kutatása stabil foszforén − metil-metakrilát szuszpenziók előállítását mutatja be a bP MMA jelenlétében végzett, ultrahangos kezeléssel elősegített folyadékfázisú exfoliációjával (LPE), majd az ezt követő gyökös polimerizációval. A metil-metakrilát (MMA) folyékony monomer.

A foszforén folyadékban végzett ultrahangos exfoliációjának protokollja

Az MMA_bPn, NVP_bPn és Sty_bPn szuszpenziókat LPE-vel állították elő, kizárólag a monomer jelenlétében. Egy tipikus eljárás során ∼5 mg, mozsárban gondosan összezúzott bP-t helyeztek egy kémcsőbe, majd bemért mennyiségű MMA-t, Sty-t vagy NVP-t adtak hozzá. A monomerben lévő bP szuszpenzióját 90 min ideig ultrahangos kezelésnek vetették alá egy Hielscher Ultrasonics UP200St homogenizátorral (200W, 26kHz), amely S26d2 szonotródával volt felszerelve (csúcsátmérő: 2 mm). Az ultrahang amplitúdóját állandó 50%-on tartották, P = 7 W mellett. Minden esetben jégfürdőt használtak a jobb hőelvezetés érdekében. A végső MMA_bPn, NVP_bPn és Sty_bPn szuszpenziókba ezután 15 min ideig N2 gázt fúvattak. Valamennyi szuszpenziót DLS-sel elemezték, és a DMSO_bPn értékéhez igen közeli rH értékeket kaptak. Például az MMA_bPn szuszpenziót (amelynek bP-tartalma körülbelül 1%) rH = 512 ± 58 nm jellemezte.
Míg a foszforénnel foglalkozó más tudományos tanulmányok ultrahangos tisztítóberendezés és magas forráspontú oldószerek használata mellett többórás ultrahangos kezelési időről és alacsony hatékonyságról számolnak be, Passaglia kutatócsoportja igen hatékony ultrahangos exfoliációs protokollt mutat be szondás ultrahangos készülék használatával (nevezetesen a Hielscher UP200St ultrahangos készülékmodellel).

Egyrétegű nanolemezek ultrahangos exfoliációja

A borofén- és ruténium-oxid-nanolemezekre vonatkozó további részletekért és exfoliációs protokollokért kövesse az alábbi hivatkozásokat:
Borofén: Az ultrahangos kezelési protokollokért és a borofén ultrahangos exfoliációjának eredményeiért kattintson ide!
RuO2: Az ultrahangos kezelési protokollokért és a ruténium-oxid-nanolemezek ultrahangos exfoliációjának eredményeiért kattintson ide!

Néhány rétegű szilícium-dioxid-nanolemezek ultrahangos exfoliációja

Néhány rétegű, exfoliált szilícium-dioxid-nanolemezeket állítottak elő természetes vermikulitból (Verm) ultrahangos exfoliációval. Az exfoliált szilícium-dioxid-nanolemezek szintéziséhez a következő folyadékfázisú exfoliációs módszert alkalmazták: 40 mg szilícium-dioxid-nanolemezt diszpergáltak 40 mL abszolút etanolban. Ezt követően a keveréket 2 h ideig ultrahangos kezelésnek vetették alá egy Hielscher UP200St ultrahangos processzorral, amely 7 mm-es szonotródával volt felszerelve. Az ultrahanghullám amplitúdóját állandó 70%-on tartották. A túlmelegedés elkerülésére jégfürdőt alkalmaztak. A nem exfoliált SN-t 1000 rpm fordulatszámon, 10 min ideig végzett centrifugálással távolították el. Végül a terméket dekantálták, és szobahőmérsékleten, vákuumban egy éjszakán át szárították. (vö. Guo et al., 2022)

Nagy teljesítményű ultrahangos szondák és reaktorok xén-nanolemezek exfoliációjához

A Hielscher Ultrasonics minden méretben tervez, gyárt és forgalmaz robusztus, megbízható ultrahangos készülékeket. A kompakt laboratóriumi ultrahangos eszközöktől az ipari ultrahangos szondákig és reaktorokig a Hielscher az Ön folyamatához ideális ultrahangos rendszert kínálja. A nanoanyagok szintéziséhez és diszpergálásához hasonló alkalmazásokban szerzett sokéves tapasztalatunk alapján jól képzett munkatársaink az Ön követelményeinek leginkább megfelelő összeállítást ajánlják. A Hielscher ipari ultrahangos processzorai az ipari létesítmények megbízható igáslovaiként ismertek. A Hielscher ultrahangos készülékei igen nagy amplitúdók előállítására képesek, ezért ideálisak a nagy teljesítményt igénylő alkalmazásokhoz, például xének és más 2D egyrétegű nanoanyagok, köztük borofén, foszforén vagy grafén szintéziséhez, valamint e nanoszerkezetek megbízható diszpergálásához.
Rendkívül erőteljes ultrahang: A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai igen nagy amplitúdók előállítására képesek. Akár 200µm amplitúdóval is könnyedén működtethetők folyamatosan, 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi kialakítású ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre.
A legmagasabb minőség – Németországban tervezve és gyártva: Minden berendezést németországi központunkban tervezünk és gyártunk. Az ügyfélnek történő szállítás előtt minden ultrahangos készüléket gondosan tesztelünk teljes terhelés mellett. Ügyfeleink elégedettségére törekszünk, és gyártásunkat úgy szerveztük meg, hogy megfeleljen a legmagasabb minőségbiztosítási követelményeknek (például ISO-tanúsítás).

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: