Բորոֆենի ուլտրաձայնային սինթեզը արդյունաբերական մասշտաբով
Բորոֆենը՝ բորի երկչափ նանոկառուցվածքային ածանցյալը, կարելի է արդյունավետորեն սինթեզել պարզ և ցածրարժեք ուլտրաձայնային շերտազատման միջոցով։ Ուլտրաձայնային հեղուկաֆազ շերտազատումը կարող է կիրառվել բարձրորակ բորոֆենային նանոթիթեղների մեծ քանակությունների արտադրության համար։ Ուլտրաձայնային շերտազատման տեխնիկան լայնորեն կիրառվում է 2D նանոնյութերի (օրինակ՝ գրաֆենի) արտադրության համար և հայտնի է իր առավելություններով՝ բարձրորակ նանոթիթեղներով, բարձր ելքերով, արագ և պարզ իրականացմամբ, ինչպես նաև ընդհանուր արդյունավետությամբ։
Ուլտրաձայնային շերտազատման մեթոդը բորոֆենի ստացման համար
Ուլտրաձայնով հարուցվող հեղուկաֆազ շերտազատումը լայնորեն կիրառվում է տարբեր ծավալային ելանյութերից, այդ թվում՝ գրաֆիտից (գրաֆեն), բորից (բորոֆեն) և այլ նյութերից 2D նանոթիթեղներ ստանալու համար։ Քիմիական շերտազատման տեխնիկայի համեմատ՝ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ հեղուկաֆազ շերտազատումը համարվում է ավելի խոստումնալից մոտեցում 0D և 2D նանոկառուցվածքներ, օրինակ՝ բորի քվանտային կետեր (BQDs) և բորոֆեն ստանալու համար։ (Տե՛ս Wang et al., 2021)
Ձախ կողմի սխեման ցույց է տալիս սակավաշերտ բորոֆենի 2D թիթեղների ցածրջերմաստիճանային ուլտրաձայնային հեղուկային շերտազատման գործընթացը։ (Ուսումնասիրություն և պատկեր՝ ©Lin et al., 2021.)
Սոնոքիմիական ռեակտոր՝ հագեցած 2000 վատտ հզորությամբ UIP2000hdT արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորով բորոֆենի լայնամասշտաբ շերտազատման համար։
Բորոֆենի ուլտրաձայնային շերտազատման կիրառական ուսումնասիրություններ
Հեղուկաֆազ գործընթացում հզոր ուլտրաձայնի կիրառմամբ շերտազատումը և շերտաբաժանումը լայնորեն ուսումնասիրվել և հաջողությամբ կիրառվել են բորոֆենի և բորի այլ ածանցյալների նկատմամբ, ինչպիսիք են բորի քվանտային կետերը, բորի նիտրիդը կամ մագնեզիումի դիբորիդը։
α-բորոֆեն
Göktuna և Taşaltın (2021) հետազոտողների կատարած ուսումնասիրության մեջ α-բորոֆենը ստացվել է պարզ և ցածրարժեք ուլտրաձայնային շերտազատման միջոցով։ Ուլտրաձայնով սինթեզված բորոֆենի նանոթիթեղներն ունեն α-բորոֆենի բյուրեղային կառուցվածք։
Ընթացակարգ. բորի 100 mg միկրոմասնիկները 100 ml DMF միջավայրում ենթարկվել են ուլտրաձայնային մշակման 200 W հզորությամբ (օրինակ՝ օգտագործելով UP200St սարքը S26d14 սոնոտրոդով), 4h տևողությամբ՝ ազոտի (N2) հոսքի վերահսկմամբ խցիկում՝ ուլտրաձայնային հեղուկաֆազ շերտազատման ընթացքում օքսիդացումը կանխելու համար։ Շերտազատված բորի մասնիկների լուծույթը ցենտրիֆուգվել է 5000 rpm և 12 000 rpm արագություններով՝ համապատասխանաբար 15 min տևողությամբ, այնուհետև բորոֆենը զգուշորեն հավաքվել և չորացվել է վակուումային միջավայրում՝ 4h տևողությամբ, 50ºC ջերմաստիճանում։ (Տե՛ս Göktuna and Taşaltın, 2021)
Զոնդային ուլտրաձայնի օժանդակությամբ սոլվոթերմային մշակման գործընթացով շերտազատված սակավաշերտ բորոֆենի սխեմատիկ պատկերը։
Ուսումնասիրություն և պատկեր՝ ©Zhang et al., 2020
Սակավաշերտ բորոֆեն
Zhang et al. (2020) հետազոտողները ներկայացնում են ացետոնային սոլվոթերմային հեղուկաֆազ շերտազատման տեխնիկա, որը հնարավորություն է տալիս արտադրել մեծ հորիզոնական չափերով բարձրորակ բորոֆեն։ Օգտագործելով ացետոնի ուռչեցնող ազդեցությունը՝ բորի փոշենման ելանյութը նախ թրջվել է ացետոնում։ Այնուհետև բորի թրջված ելանյութը լրացուցիչ սոլվոթերմային մշակման է ենթարկվել ացետոնում՝ 200ºC ջերմաստիճանում, որին հաջորդել է ուլտրաձայնային մշակումը զոնդային ուլտրաձայնային սարքով՝ 225 W հզորությամբ, 4h տևողությամբ։ Վերջնական արդյունքում ստացվել է բորի մի քանի շերտերից կազմված և մինչև 5,05 mm հորիզոնական չափ ունեցող բորոֆեն։ Ացետոնային սոլվոթերմային մշակման օժանդակությամբ հեղուկաֆազ շերտազատման տեխնիկան կարող է կիրառվել մեծ հորիզոնական չափերով և բարձրորակ բորային նանոթիթեղներ ստանալու համար։ (Տե՛ս Zhang et al., 2020)
Ուլտրաձայնով շերտազատված բորոֆենի ռենտգենյան դիֆրակցիայի (XRD) պատկերը բորի ծավալային ելանյութի պատկերի հետ համեմատելիս կարելի է դիտարկել նմանատիպ XRD պատկեր։ Հիմնական դիֆրակցիոն գագաթների մեծ մասը կարելի է ինդեքսավորել որպես b-ռոմբոէդրական բորի գագաթներ, ինչը ենթադրում է, որ բյուրեղային կառուցվածքը գրեթե պահպանվում է շերտազատման մշակումից առաջ և հետո։
Ացետոնում ուլտրաձայնի օժանդակությամբ սոլվոթերմային շերտազատմամբ ստացված սակավաշերտ բորոֆենի ցածր լուծաչափով (a) և բարձր լուծաչափով (b) սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակային (SEM) պատկերները
Ուսումնասիրություն և պատկեր՝ ©Zhang et al., 2020
Չմշակված ծավալային բորի և զոնդային ուլտրաձայնի օժանդակությամբ սոլվոթերմային շերտազատմամբ ստացված սակավաշերտ բորոֆենի ռենտգենյան դիֆրակցիայի (XRD) պատկերները (a) և Ռամանի սպեկտրները (b)։
Ուսումնասիրություն և պատկեր՝ ©Zhang et al., 2020
Բորի քվանտային կետերի սոնոքիմիական սինթեզը
Hao et al. (2020) հետազոտության շրջանակում ընդարձակված բորի փոշուց ացետոնիտրիլում՝ խիստ բևեռային օրգանական լուծիչում, հաջողությամբ լայնածավալ կերպով ստացվել են բորի համասեռ բյուրեղային կիսահաղորդչային քվանտային կետեր (BQDs)՝ հզոր զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքի կիրառմամբ (օրինակ՝ UP400St, UIP500hdT կամ UIP1000hdT)։ Սինթեզված բորի քվանտային կետերի լայնական չափը կազմել է 2,46 ±0,4 nm, իսկ հաստությունը՝ 2,81 ±0,5 nm։
Ընթացակարգ. Բորի քվանտային կետերի ստացման տիպային ընթացակարգում նախ եռապարանոց կոլբայի մեջ ավելացվել է 30 mg բորի փոշի, ապա, նախքան ուլտրաձայնային մշակումը, շշի մեջ ավելացվել է 15 mL ացետոնիտրիլ։ Շերտազատումն իրականացվել է 400 W ելքային հզորությամբ (օրինակ՝ կիրառելով UIP500hdT), 20kHz հաճախականությամբ և 60 min տևողությամբ ուլտրաձայնային մշակմամբ։ Ուլտրաձայնային մշակման ընթացքում լուծույթի գերտաքացումից խուսափելու և հաստատուն ջերմաստիճան պահպանելու համար կիրառվել է սառցային բաղնիքով կամ լաբորատոր սառեցուցիչով սառեցում։ Ստացված լուծույթը ցենտրիֆուգվել է 1500 rpm արագությամբ՝ 60 min։ Բորի քվանտային կետեր պարունակող վերնստվածքային հեղուկը զգուշորեն առանձնացվել է։ Բոլոր փորձերն իրականացվել են սենյակային ջերմաստիճանում։ (Տե՛ս Hao et al., 2020)
Wang et al. (2021) հետազոտության մեջ հետազոտողը նույնպես պատրաստել է բորի քվանտային կետեր՝ կիրառելով հեղուկ փուլում ուլտրաձայնային շերտազատման տեխնիկան։ Նրանք ստացել են մոնոդիսպերս բորի քվանտային կետեր՝ չափերի նեղ բաշխմամբ, գերազանց դիսպերսելիությամբ, IPA լուծույթում բարձր կայունությամբ և «two-photo» ֆլուորեսցենցիայով։
Տարբեր ուլտրաձայնային պայմաններում պատրաստված BQDs քվանտային կետերի TEM պատկերները և տրամագծերի համապատասխան բաշխումը։ (a) 400 W հզորությամբ 2 h ընթացքում սինթեզված BQDs-2 քվանտային կետերի TEM պատկերը։ (b) 550 W հզորությամբ 1 h ընթացքում սինթեզված BQDs-3 քվանտային կետերի TEM պատկերը։ (c) 400 W հզորությամբ 4 h ընթացքում սինթեզված BQDs-3 քվանտային կետերի TEM պատկերը։ (d) Քվանտային կետերի տրամագծերի բաշխումը՝ ստացված (a) պատկերից։ (e) Քվանտային կետերի տրամագծերի բաշխումը՝ ստացված (b) պատկերից։ (f) Քվանտային կետերի տրամագծերի բաշխումը՝ ստացված (c) պատկերից։
Հետազոտություն և պատկեր՝ ©Hao et al., 2020
Մագնեզիումի դիբորիդի նանոթերթերի ուլտրաձայնային շերտազատում
Շերտազատման գործընթացն իրականացվել է 450mg մագնեզիումի դիբորիդի
(MgB2) փոշին (մոտավորապես 100 mesh չափ / 149 միկրոն) 150 ml ջրում կախույթավորելով և այն 30 րոպե ուլտրաձայնային մշակման ենթարկելով։ Ուլտրաձայնային շերտազատումը կարելի է իրականացնել զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքով, օրինակ՝ UP200Ht կամ UP400St սարքով՝ 30% ամպլիտուդով և 10sec միացման/անջատման իմպուլսների ցիկլային ռեժիմով։ Ուլտրաձայնային շերտազատման արդյունքում ստացվում է մուգ սև կախույթ։ Սև գույնը կարող է վերագրվել սկզբնական MgB2 փոշու գույնին։
Կադրերի արագընթաց հաջորդականություն (a-ից f), որը պատկերում է ջրում գրաֆիտի փաթիլի սոնոմեխանիկական շերտազատումը՝ կիրառելով UP200S ուլտրաձայնային սարքը՝ 200W հզորությամբ և 3mm սոնոտրոդով։ Սլաքները ցույց են տալիս ճեղքման (շերտազատման) տեղը, որտեղ կավիտացիոն պղպջակները ներթափանցում են ճեղքի մեջ։
© Tyurnina et al. 2020
Հզոր ուլտրաձայնային սարքեր՝ ցանկացած մասշտաբով բորոֆենի շերտազատման համար
Hielscher Ultrasonics ընկերությունը նախագծում, արտադրում և մատակարարում է ցանկացած չափի ամուր և հուսալի ուլտրաձայնային սարքեր։ Կոմպակտ լաբորատոր ուլտրաձայնային սարքերից մինչև արդյունաբերական ուլտրաձայնային զոնդեր և ռեակտորներ՝ Hielscher ընկերությունն ունի ձեր գործընթացի համար իդեալական ուլտրաձայնային համակարգը։ Նանոնյութերի սինթեզի և դիսպերսման նման կիրառություններում երկարամյա փորձ ունեցող մեր լավ պատրաստված աշխատակիցները ձեզ կառաջարկեն ձեր պահանջներին ամենահամապատասխան սարքակազմը։ Hielscher արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները հայտնի են որպես արդյունաբերական օբյեկտների հուսալի աշխատող ուժ։ Շատ բարձր ամպլիտուդներ ապահովելու ունակության շնորհիվ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերն իդեալական են բարձր արդյունավետություն պահանջող կիրառությունների համար, ինչպիսիք են բորոֆենի կամ գրաֆենի շերտազատումը, ինչպես նաև նանոնյութերի դիսպերսիաները։ Մինչև 200µm ամպլիտուդները կարելի է հեշտությամբ շարունակաբար պահպանել 24/7 աշխատանքի ռեժիմում։ Էլ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։
Ամբողջ սարքավորումը նախագծվում և արտադրվում է Գերմանիայում գտնվող մեր գլխավոր գրասենյակում։ Նախքան պատվիրատուին առաքելը՝ յուրաքանչյուր ուլտրաձայնային սարք մանրակրկիտ փորձարկվում է լրիվ բեռնվածությամբ։ Մենք ձգտում ենք հաճախորդների գոհունակությանը, և մեր արտադրությունը կազմակերպված է այնպես, որ ապահովի որակի երաշխավորման ամենաբարձր մակարդակը (օրինակ՝ ISO հավաստագրում)։
- բարձր արդյունավետություն
- գերժամանակակից տեխնոլոգիա
- հուսալիություն և ամրություն
- պարբերական և հոսքագծային մշակում
- ցանկացած ծավալի համար
- խելացի ծրագրային ապահովում
- խելացի գործառույթներ (օրինակ՝ տվյալների գրանցում)
- CIP (մաքրում տեղում)
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մոտավոր մշակման հզորության մասին․
| Մեկ խմբաքանակի ծավալը | Ծավալային հոսքի արագությունը | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 1-ից մինչև 500mL | 10-ից մինչև 200mL/min | UP100H |
| 10-ից մինչև 2000mL | 20-ից մինչև 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1-ից մինչև 20L | 0,2-ից մինչև 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-ից մինչև 100L | 2-ից մինչև 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-ից մինչև 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | ավելի մեծ | հետևյալ սարքերից կազմված խումբ՝ UIP16000 |
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Hielscher Ultrasonics արտադրում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբներով խառնման, դիսպերսման, էմուլգացման և էքստրակցիայի կիրառությունների համար։
Գրականություն / Հղումներ
- 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.
Փաստեր, որոնք արժե իմանալ
Բորոֆեն
Բորոֆենը բորի բյուրեղային ատոմային միաշերտ է, այսինքն՝ բորի երկչափ ալոտրոպ ձև է (նաև կոչվում է բորի նանոթերթիկ)։ Նրա եզակի ֆիզիկական և քիմիական բնութագրերը բորոֆենը դարձնում են արժեքավոր նյութ բազմաթիվ արդյունաբերական կիրառությունների համար։
Բորոֆենի բացառիկ ֆիզիկական և քիմիական հատկությունները ներառում են եզակի մեխանիկական, ջերմային, էլեկտրոնային, օպտիկական և գերհաղորդիչ առանձնահատկություններ։
Սա հնարավորություն է տալիս բորոֆենն օգտագործել ալկալիական մետաղների իոնային մարտկոցներում, Li-S մարտկոցներում, ջրածնի պահեստավորման, գերկոնդենսատորի, թթվածնի վերականգնման և անջատման, ինչպես նաև CO2 էլեկտրավերականգնման ռեակցիայի կիրառություններում։ Հատկապես մեծ հետաքրքրություն է առաջացնում բորոֆենի օգտագործումը որպես մարտկոցների անոդային նյութ և ջրածնի պահեստավորման նյութ։ Տեսական բարձր տեսակարար ունակությունների, էլեկտրոնային հաղորդականության և իոնների տեղափոխման հատկությունների շնորհիվ բորոֆենը հիանալի անոդային նյութ է մարտկոցների համար։ Բորոֆենի՝ ջրածին ադսորբելու բարձր կարողության շնորհիվ այն ջրածնի պահեստավորման մեծ ներուժ ունի՝ իր զանգվածի 15%-ից ավելի պահեստավորման տարողությամբ։
Բորոֆենը ջրածնի պահեստավորման համար
Բորի հիմքով երկչափ (2D) նյութերը մեծ ուշադրության են արժանանում որպես H2 պահեստավորման միջավայրեր՝ բորի փոքր ատոմային զանգվածի և մակերևույթը զարդարող ալկալիական մետաղների կայունության շնորհիվ, որոնք ուժեղացնում են փոխազդեցությունները H2 մոլեկուլների հետ։ Բորոֆենի երկչափ նանոթերթիկները, որոնք կարելի է հեշտությամբ սինթեզել վերը նկարագրված ուլտրաձայնային հեղուկաֆազ շերտազատմամբ, լավ խնամակցություն են ցուցաբերել մակերևույթը զարդարող տարբեր մետաղների ատոմների նկատմամբ, որոնցում կարող է տեղի ունենալ մետաղի ատոմների կլաստերացում։ Բորոֆենի տարբեր պոլիմորֆ ձևերի մակերևույթները տարբեր մետաղներով, ինչպիսիք են Li, Na, Ca և Ti, զարդարելով՝ ստացվել են H2 զանգվածային պարունակության տպավորիչ արժեքներ՝ 6-ից մինչև 15 wt %, որոնք գերազանցում են ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարության (DOE)՝ փոխադրամիջոցի վրա H2 պահեստավորման 6,5wt% պահանջը։ (տե՛ս Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics արտադրում է բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ սկսած լաբորատոր չափերից մինչև արդյունաբերական չափեր։