Sintesi del borofene mediante ultrasuoni su scala industriale
Il borofene, un derivato nanostrutturato bidimensionale del boro, può essere sintetizzato in modo efficiente mediante un’esfoliazione a ultrasuoni semplice e a basso costo. L’esfoliazione a ultrasuoni in fase liquida può essere utilizzata per produrre grandi quantità di nanofogli di borofene di alta qualità. La tecnica di esfoliazione a ultrasuoni è ampiamente utilizzata per produrre nanomateriali 2D (ad es., grafene) ed è ben nota per i suoi vantaggi: nanofogli di alta qualità, rese elevate, funzionamento rapido e semplice ed efficienza complessiva.
Metodo di esfoliazione a ultrasuoni per la preparazione del borofene
L’esfoliazione in fase liquida indotta dagli ultrasuoni è ampiamente utilizzata per preparare nanofogli 2D a partire da vari precursori massivi, tra cui grafite (grafene) e boro (borofene). Rispetto alla tecnica di esfoliazione chimica, l’esfoliazione in fase liquida assistita da ultrasuoni è considerata la strategia più promettente per preparare nanostrutture 0D e 2D, come i punti quantici di boro (BQDs) e il borofene. (cfr. Wang et al., 2021)
Lo schema a sinistra mostra il processo di esfoliazione a ultrasuoni in fase liquida a bassa temperatura di fogli di borofene 2D a pochi strati. (Studio e immagine: ©Lin et al., 2021.)
Reattore sonochimico dotato di un processore industriale a ultrasuoni UIP2000hdT da 2000 watt per l’esfoliazione del borofene su larga scala.
Casi di studio sull’esfoliazione del borofene mediante ultrasuoni
L’esfoliazione e la delaminazione mediante ultrasuoni di potenza in un processo in fase liquida sono state ampiamente studiate e applicate con successo al borofene e ad altri derivati del boro, come i punti quantici di boro, il nitruro di boro o il diboruro di magnesio.
α-borofene
Nello studio condotto da Göktuna e Taşaltın (2021), l’α-borofene è stato preparato mediante un’esfoliazione a ultrasuoni semplice e a basso costo. I nanofogli di borofene sintetizzati mediante ultrasuoni presentano una struttura cristallina di α-borofene.
Protocollo: 100 mg di microparticelle di boro sono stati sottoposti a sonicazione in 100 ml di DMF a 200 W (ad es., utilizzando l’UP200St con S26d14) per 4h in una cabina con flusso controllato di azoto (N2) per prevenire l’ossidazione durante il processo di esfoliazione a ultrasuoni in fase liquida. La soluzione di particelle di boro esfoliate è stata centrifugata a 5000 rpm e 12.000 rpm, rispettivamente per 15 min; quindi il borofene è stato raccolto con cura ed essiccato sotto vuoto per 4h a 50ºC. (cfr. Göktuna e Taşaltın, 2021)
Illustrazione schematica del borofene a pochi strati esfoliato mediante il processo di trattamento solvotermico assistito da ultrasuoni a sonda.
Studio e immagine: ©Zhang et al., 2020
Borofene a pochi strati
Zhang et al. (2020) descrivono una tecnica di esfoliazione in fase liquida solvotermica in acetone, che consente di produrre borofene di alta qualità con grandi dimensioni laterali. Sfruttando l’effetto di rigonfiamento dell’acetone, il precursore in polvere di boro è stato dapprima bagnato con acetone. Successivamente, il precursore di boro bagnato è stato ulteriormente sottoposto a trattamento solvotermico in acetone a 200ºC, seguito da sonicazione con un sonicatore a sonda a 225 W per 4h. Infine, è stato ottenuto borofene con pochi strati di boro e una dimensione laterale fino a 5,05 mm. La tecnica di esfoliazione in fase liquida assistita da trattamento solvotermico in acetone può essere utilizzata per preparare nanofogli di boro di grandi dimensioni laterali e di alta qualità. (cfr. Zhang et al., 2020)
Confrontando il diffrattogramma XRD del borofene esfoliato mediante ultrasuoni con quello del precursore di boro massivo, si può osservare un diffrattogramma XRD simile. La maggior parte dei principali picchi di diffrazione può essere indicizzata come appartenente al boro b-romboedrico, suggerendo che la struttura cristallina rimane pressoché invariata prima e dopo il trattamento di esfoliazione.
Immagini SEM a bassa risoluzione (a) e ad alta risoluzione (b) del borofene a pochi strati ottenuto mediante esfoliazione solvotermica in acetone assistita da ultrasuoni
Studio e immagine: ©Zhang et al., 2020
Diffrattogrammi XRD (a) e spettri Raman (b) del boro massivo non trattato e del borofene a pochi strati ottenuto mediante esfoliazione solvotermica assistita da ultrasuoni a sonda.
Studio e immagine: ©Zhang et al., 2020
Sintesi sonochimica di punti quantici di boro
Hao et al. (2020) hanno preparato con successo su larga scala punti quantici di boro (BQDs) semiconduttori, cristallini e uniformi a partire da polvere di boro espanso in acetonitrile, un solvente organico altamente polare, utilizzando un potente sonicatore a sonda (ad es., UP400St, UIP500hdT o UIP1000hdT). I punti quantici di boro sintetizzati presentavano una dimensione laterale di 2,46 ±0,4 nm e uno spessore di 2,81 ±0,5 nm.
Protocollo: in una preparazione tipica dei punti quantici di boro, sono stati dapprima aggiunti 30 mg di polvere di boro in un pallone a tre colli e successivamente sono stati aggiunti 15 mL di acetonitrile nel recipiente prima del processo di sonicazione. L’esfoliazione è stata eseguita con una potenza in uscita di 400 W (ad es., utilizzando l’ UIP500hdT), una frequenza di 20kHz e un tempo di sonicazione di 60 min. Per evitare il surriscaldamento della soluzione durante la sonicazione, è stato applicato un raffreddamento mediante bagno di ghiaccio o refrigeratore da laboratorio per mantenere una temperatura costante. La soluzione risultante è stata centrifugata a 1500 rpm per 60 min. Il surnatante contenente i punti quantici di boro è stato prelevato delicatamente. Tutti gli esperimenti sono stati condotti a temperatura ambiente. (cfr. Hao et al., 2020)
Anche nello studio di Wang et al. (2021), i ricercatori hanno preparato punti quantici di boro utilizzando la tecnica di esfoliazione a ultrasuoni in fase liquida. Hanno ottenuto punti quantici di boro monodispersi con una distribuzione dimensionale stretta, eccellente disperdibilità, elevata stabilità in soluzione di IPA e fluorescenza a due fotoni.
Immagini TEM e corrispondente distribuzione dei diametri dei BQDs preparati in diverse condizioni di sonicazione. (a) Immagine TEM dei BQDs-2 sintetizzati a 400 W per 2 h. (b) Immagine TEM dei BQDs-3 sintetizzati a 550 W per 1 h. (c) Immagine TEM dei BQDs-3 sintetizzati a 400 W per 4 h. (d) Distribuzione dei diametri dei punti quantici ricavata da (a). (e) Distribuzione dei diametri dei punti quantici ricavata da (b). (f) Distribuzione dei diametri dei punti quantici ricavata da (c).
Studio e immagine: ©Hao et al., 2020
Esfoliazione a ultrasuoni di nanofogli di diboruro di magnesio
Il processo di esfoliazione è stato eseguito sospendendo 450mg di polvere di diboruro di magnesio
(MgB2) (granulometria di circa 100 mesh / 149 micron) in 150 ml di acqua e sottoponendola a sonicazione per 30 minuti. L’esfoliazione a ultrasuoni può essere eseguita con un sonicatore a sonda, come l’ UP200Ht o l’ UP400St con un’ampiezza del 30% e una modalità ciclica con impulsi di attivazione/disattivazione di 10sec. L’esfoliazione a ultrasuoni produce una sospensione di colore nero intenso. Il colore nero può essere attribuito al colore della polvere di MgB2 originaria.
Una sequenza di fotogrammi ad alta velocità (da a a f) che illustra l’esfoliazione sonomeccanica di una scaglia di grafite in acqua utilizzando l’ UP200S, un sonicatore da 200W con sonotrodo da 3mm. Le frecce indicano il punto di separazione (esfoliazione), con bolle di cavitazione che penetrano nella fessura.
© Tyurnina et al. 2020
Potenti sonicatori per l’esfoliazione del borofene su qualsiasi scala
Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce sonicatori robusti e affidabili di qualsiasi dimensione. Dai dispositivi a ultrasuoni compatti da laboratorio alle sonde e ai reattori a ultrasuoni industriali, Hielscher dispone del sistema a ultrasuoni ideale per il vostro processo. Grazie alla lunga esperienza in applicazioni quali la sintesi e la dispersione di nanomateriali, il nostro personale qualificato vi consiglierà la configurazione più adatta alle vostre esigenze. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher sono noti per la loro affidabilità nel lavoro quotidiano negli impianti industriali. In grado di fornire ampiezze molto elevate, i sonicatori Hielscher sono ideali per applicazioni ad alte prestazioni, come l’esfoliazione del borofene o del grafene e la dispersione di nanomateriali. È possibile operare agevolmente con ampiezze fino a 200µm in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
Tutti i sonicatori e gli accessori Hielscher sono progettati e prodotti presso la sede centrale in Germania. Prima della consegna al cliente, ogni dispositivo a ultrasuoni viene accuratamente collaudato a pieno carico. Puntiamo alla soddisfazione del cliente e la nostra produzione è organizzata per soddisfare i più elevati requisiti di garanzia della qualità (ad es., certificazione ISO).
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- per qualsiasi volume
- software intelligente
- funzioni intelligenti (ad es., registrazione dei dati)
- CIP (pulizia in loco)
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| da 1 a 500mL | da 10 a 200mL/min | UP100H |
| da 10 a 2000mL | da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| da 0,1 a 20L | da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| da 10 a 100L | da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| non applicabile | da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| non applicabile | superiore | gruppo di UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Bibliografia / Riferimenti
- 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.
Informazioni utili
Che cos’è il borofene?
Il borofene è un monostrato atomico cristallino di boro, cioè un allotropo bidimensionale del boro (chiamato anche nanofoglio di boro). Le sue caratteristiche fisiche e chimiche uniche rendono il borofene un materiale prezioso per numerose applicazioni industriali.
Le eccezionali proprietà fisiche e chimiche del borofene comprendono caratteristiche meccaniche, termiche, elettroniche, ottiche e superconduttive uniche.
Ciò apre possibilità di utilizzo del borofene in applicazioni quali batterie agli ioni di metalli alcalini, batterie Li-S, stoccaggio dell’idrogeno, supercondensatori, riduzione ed evoluzione dell’ossigeno e reazione di elettroriduzione della CO2. Il borofene suscita un interesse particolarmente elevato come materiale anodico per batterie e come materiale per lo stoccaggio dell’idrogeno. Grazie alle elevate capacità specifiche teoriche, alla conducibilità elettronica e alle proprietà di trasporto ionico, il borofene si qualifica come un eccellente materiale anodico per batterie. Grazie alla sua elevata capacità di adsorbimento dell’idrogeno, il borofene offre un grande potenziale per lo stoccaggio dell’idrogeno – con una capacità di stoccaggio superiore al 15% del proprio peso.
Come viene utilizzato il borofene per lo stoccaggio dell’idrogeno?
I materiali bidimensionali (2D) a base di boro stanno ricevendo molta attenzione come mezzi per lo stoccaggio di H2 grazie alla bassa massa atomica del boro e alla stabilità dei metalli alcalini depositati sulla superficie, che potenziano le interazioni con H2. I nanofogli bidimensionali di borofene, che possono essere facilmente sintetizzati mediante esfoliazione a ultrasuoni in fase liquida come descritto sopra, hanno mostrato una buona affinità per diversi atomi metallici depositati sulla superficie, nei quali può verificarsi l’aggregazione degli atomi metallici. Utilizzando diversi metalli, come Li, Na, Ca e Ti, per decorare differenti polimorfi del borofene, sono state ottenute notevoli densità gravimetriche di H2 comprese tra 6 e 15 wt %, superiori al requisito del Dipartimento dell’energia degli Stati Uniti (DOE) per lo stoccaggio a bordo di 6,5wt% H2. (cfr. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni, dalle dimensioni da laboratorio a quelle industriali.