Sintesis Borophene Ultrasonik pada Skala Industri

Borophene, turunan boron berstruktur nano dua dimensi, dapat disintesis secara efisien melalui pengelupasan ultrasonik yang mudah dan berbiaya rendah. Pengelupasan fase cair ultrasonik dapat digunakan untuk menghasilkan lembaran nano borophene berkualitas tinggi dalam jumlah besar. Teknik pengelupasan ultrasonik banyak digunakan untuk menghasilkan nanomaterial 2D (misalnya, graphene) dan terkenal dengan keunggulannya dari lembaran nano berkualitas tinggi, hasil tinggi, operasi yang cepat dan mudah, serta efisiensi secara keseluruhan.

Metode Pengelupasan Ultrasonik untuk Persiapan Borophene

Pengelupasan fase cair yang digerakkan secara ultrasonik banyak digunakan untuk menyiapkan lembaran nano 2D dari berbagai prekursor curah termasuk grafit (graphene), boron (borophene) antara lain. Dibandingkan dengan teknik pengelupasan kimia, pengelupasan fase cair yang dibantu ultrasonik dianggap sebagai strategi yang lebih menjanjikan untuk menyiapkan struktur nano 0D dan 2D seperti titik kuantum boron (BQD) dan borophene. (lih. Wang et al., 2021)
Skema kiri menunjukkan proses pengelupasan cairan suhu rendah ultrasonik dari lembaran borophene beberapa lapis 2D. (Studi dan gambar: ©Lin et al., 2021.)

Studi Kasus Pengelupasan Borophene Ultrasonik

Pengelupasan dan delaminasi menggunakan ultrasound daya dalam proses fase cair telah banyak dipelajari dan berhasil diterapkan pada borophene dan turunan boron lainnya seperti titik kuantum boron, boron nitrida atau magnesium diborida.

α-Borophene

Dalam penelitian yang dilakukan oleh Göktuna dan Taşaltın (2021), α borophene disiapkan melalui pengelupasan ultrasonik yang mudah dan berbiaya rendah. Lembaran nano borophene yang disintesis secara ultrasonik menunjukkan struktur kristal borophene yang α.
Protokol: 100 mg mikropartikel boron disonikasi dalam 100 ml DMF pada 200 W (misalnya, menggunakan UP200St dengan S26d14) selama 4 jam dalam nitrogen (N₂) kabin yang dikendalikan aliran untuk mencegah oksidasi selama proses pengelupasan fase cairan ultrasonik. Larutan partikel boron yang terkelupas disentrifugasi dengan 5000 rpm dan 12,000 rpm masing-masing selama 15 menit, kemudian borophene dikumpulkan dengan hati-hati dan dikeringkan dalam ambien vakum selama 4 jam pada suhu 50ºC. (lih.

Ilustrasi skematik borofena dengan beberapa lapisan terkelupas oleh proses perawatan solvotermal berbantuan probe ultrasonik.
Studi dan gambar: ©Zhang et al., 2020

Borophene Beberapa Lapisan

Zhang et al. (2020) melaporkan teknik pengelupasan fase cair solvotermal aseton, yang memungkinkan produksi borophene berkualitas tinggi dengan ukuran horizontal yang besar. Dengan menggunakan efek pembengkakan aseton, prekursor bubuk boron pertama kali dibasahi dalam aseton. Kemudian, prekursor boron yang dibasahi selanjutnya diolah secara solvotermal dalam aseton pada 200ºC, diikuti dengan sonikasi dengan sonicator tipe probe pada 225 W selama 4 jam. Borophene dengan beberapa lapisan boron dan ukuran horizontal hingga 5,05 mm akhirnya diperoleh. Teknik pengelupasan fase cair berbantuan solvotermal aseton dapat digunakan untuk menyiapkan lembaran nano boron dengan ukuran horizontal besar dan berkualitas tinggi. (lih. Zhang et al., 2020)
Ketika pola XRD dari borophene yang terkelupas secara ultrasonik dibandingkan dengan prekursor boron curah, pola XRD serupa dapat diamati. Sebagian besar puncak difraksi utama dapat diindeks ke boron b-rhombohedral, menunjukkan bahwa struktur kristal hampir kekal sebelum dan sesudah perawatan pengelupasan kulit.

Gambar SEM dengan resolusi rendah (a) dan resolusi tinggi (b) borophene dengan beberapa lapisan yang diperoleh dengan pengelupasan solvotermal yang dibantu ultrasonik dalam aseton
Studi dan gambar: ©Zhang et al., 2020

Pola XRD (a) dan spektrum Raman (b) dari boron dan borofena curah yang tidak diolah dengan beberapa lapisan yang diperoleh dengan pengelupasan solvotermal berbantuan probe ultrasonik
Studi dan gambar: ©Zhang et al., 2020

Sintesis Sonokimia Titik Kuantum Boron

Hao et al. (2020) berhasil menyiapkan titik kuantum boron semikonduktor kristal berskala besar dan seragam (BQD) dari bubuk boron yang diperluas dalam asetonitril, pelarut organik yang sangat polar, menggunakan ultrasonicator tipe probe yang kuat (misalnya, UP400St, UIP500hdT atau UIP1000hdT). Titik-titik kuantum boron yang disintesis dengan ukuran lateral 2.46 ±0.4 nm dan ketebalan 2.81 ±0.5 nm.
Protokol: Dalam persiapan tipikal titik kuantum boron, 30 mg bubuk boron pertama-tama ditambahkan ke dalam labu berleher tiga dan kemudian 15 mL asetonitril ditambahkan ke dalam botol sebelum proses ultrasonikasi. Pengelupasan dilakukan pada daya keluaran 400 W (misalnya, menggunakan UIP500hdT), frekuensi 20kHz dan waktu ultrasonik 60 menit. Untuk menghindari larutan yang terlalu panas selama ultrasonikasi, pendinginan menggunakan penangas es atau pendingin laboratorium diterapkan untuk suhu konstan. Larutan yang dihasilkan disentrifugasi pada 1500 rpm selama 60 menit. Supernatan yang mengandung titik kuantum boron diekstraksi dengan lembut. Semua percobaan dilakukan pada suhu kamar. (lih. Hao et al., 2020)
Dalam studi Wang et al. (2021), peneliti juga menyiapkan titik kuantum boron menggunakan teknik pengelupasan fase cair ultrasonik. Mereka memperoleh titik kuantum boron monodispersi dengan distribusi ukuran yang sempit, dispersibilitas yang sangat baik, stabilitas tinggi dalam larutan IPA, dan fluoresensi dua foto.

Gambar TEM dan distribusi diameter yang sesuai dari BQD yang disiapkan dalam kondisi ultrasonik yang berbeda. (a) Gambar TEM BQDs-2 disintesis pada 400 W selama 2 jam. (b) Gambar TEM BQDs-3 disintesis pada 550 W selama 1 jam. (c) Gambar TEM BQDs-3 disintesis pada 400 W selama 4 jam. (d) Distribusi diameter titik-titik kuantum yang diperoleh dari (a). (e) Distribusi diameter titik-titik kuantum yang diperoleh dari (b). (f) Distribusi diameter titik-titik kuantum diperoleh dari (c).
Studi dan gambar: ©Hao et al., 2020

Pengelupasan Ultrasonik Nanosheets Magnesium Diboride

Proses pengelupasan dilakukan dengan menangguhkan 450mg magnesium diboride
(MgB₂) bubuk (sekitar 100 mesh ukuran / 149 mikron) dalam 150 ml air dan memaparkannya ke ultrasonikasi selama 30 menit. Pengelupasan ultrasonik dapat dilakukan dengan ultrasonicator tipe probe seperti UP200Ht atau UP400St dengan amplitudo 30% dan mode siklus pulsa on/off 10 detik. Pengelupasan ultrasonik menghasilkan suspensi hitam gelap. Warna hitam dapat dikaitkan dengan warna bubuk MgB2 yang murni.

Urutan bingkai berkecepatan tinggi (dari a hingga f) yang menggambarkan pengelupasan sono-mekanis serpihan grafit dalam air menggunakan UP200S, ultrasonicator 200W dengan sonotrode 3mm. Panah menunjukkan tempat pemisahan (pengelupasan kulit) dengan gelembung kavitasi menembus belah.
© Tyurnina dkk. 2020

Ultrasonicators yang kuat untuk pengelupasan Borophene pada Skala Berapa Pun

Hielscher Ultrasonics merancang, memproduksi, dan mendistribusikan ultrasonicator yang kuat dan andal pada berbagai ukuran. Dari perangkat ultrasonik laboratorium kompak hingga probe dan reaktor ultrasonik industri, Hielscher memiliki sistem ultrasonik yang ideal untuk proses Anda. Dengan pengalaman lama dalam aplikasi seperti sintesis dan dispersi nanomaterial, staf kami yang terlatih akan merekomendasikan Anda pengaturan yang paling cocok untuk kebutuhan ytipe. Prosesor ultrasonik industri Hielscher dikenal sebagai kuda kerja yang andal di fasilitas industri. Mampu memberikan amplitudo yang sangat tinggi, ultrasonicators Hielscher sangat ideal untuk aplikasi berkinerja tinggi seperti pengelupasan borophene atau graphene serta dispersi nanomaterial. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan terus menerus dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia.
Semua peralatan dirancang dan diproduksi di kantor pusat kami di Jerman. Sebelum pengiriman ke pelanggan, setiap perangkat ultrasonik diuji dengan cermat di bawah beban penuh. Kami berusaha untuk kepuasan pelanggan dan produksi kami disusun untuk memenuhi jaminan kualitas tertinggi (misalnya, sertifikasi ISO).

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: