Esfoliazione a ultrasuoni di Xenes
Gli xeni sono nanomateriali monoelementali 2D con proprietà straordinarie, come un'area superficiale molto elevata, proprietà fisiche/chimiche anisotrope, tra cui una superiore conducibilità elettrica o resistenza alla trazione. L'esfoliazione o delaminazione a ultrasuoni è una tecnica efficiente e affidabile per produrre nanostrati 2D monostrato da materiali precursori stratificati. L'esfoliazione a ultrasuoni è già consolidata per la produzione di nanoschede di xeno di alta qualità su scala industriale.
xeni – Nanostrutture monostrato
Gli xeni sono nanomateriali monostrato (2D), monoelementi, caratterizzati da una struttura simile al grafene, da legami covalenti intra-strato e da deboli forze di van der Waals tra gli strati. Esempi di materiali appartenenti alla classe degli xeni sono il borofene, il silicene, il germanene, lo stanene, il fosforene (fosforo nero), l'arsenene, il bismutene, il tellurene e l'antimonene. Grazie alla loro struttura 2D monostrato, i nanomateriali di xeno sono caratterizzati da una superficie molto ampia e da una migliore reattività chimica e fisica. Queste caratteristiche strutturali conferiscono ai nanomateriali di xene notevoli proprietà fotoniche, catalitiche, magnetiche ed elettroniche e rendono queste nanostrutture molto interessanti per numerose applicazioni industriali. L'immagine a sinistra mostra immagini al SEM del borofene esfoliato ad ultrasuoni.
Produzione di nanomateriali di Xenes mediante delaminazione a ultrasuoni
Esfoliazione liquida di nanomateriali stratificati: I nanosheet 2D monostrato sono prodotti da materiali inorganici con strutture stratificate (ad esempio, grafite) che consistono in strati ospitanti debolmente impilati che mostrano un'espansione o un rigonfiamento da strato a strato in seguito all'intercalazione di determinati ioni e/o solventi. L'esfoliazione, in cui la fase stratificata viene scissa in fogli nanometrici, accompagna tipicamente il rigonfiamento a causa delle attrazioni elettrostatiche rapidamente indebolite tra gli strati che producono dispersioni colloidali dei singoli strati o fogli 2D. (In generale, è noto che il rigonfiamento facilita l'esfoliazione attraverso gli ultrasuoni e produce nanosheet con carica negativa. Anche i pretrattamenti chimici facilitano l'esfoliazione mediante sonicazione in solventi. Ad esempio, la funzionalizzazione consente l'esfoliazione di idrossidi doppi stratificati (LDH) in alcoli. (cfr. Nicolosi et al., 2013)
Per l'esfoliazione/delaminazione a ultrasuoni, il materiale stratificato viene esposto a potenti onde ultrasoniche in un solvente. Quando le onde ultrasonore ad alta densità di energia vengono accoppiate a un liquido o a un impasto, si verifica una cavitazione acustica o ultrasonica. La cavitazione ultrasonica è caratterizzata dal collasso delle bolle di vuoto. Le onde ultrasonore viaggiano attraverso il liquido e generano cicli alternati di bassa pressione/alta pressione. Le minuscole bolle di vuoto si formano durante un ciclo di bassa pressione (rarefazione) e crescono nel corso di vari cicli di bassa pressione/alta pressione. Quando una bolla di cavitazione raggiunge il punto in cui non può più assorbire energia, la bolla implode violentemente e crea localmente condizioni di grande densità energetica. Un hot-spot cavitazionale è determinato da pressioni e temperature molto elevate, rispettivi differenziali di pressione e temperatura, getti di liquido ad alta velocità e forze di taglio. Queste forze sonomeccaniche e sonomochimiche spingono il solvente tra gli strati impilati e rompono le strutture particellari e cristalline stratificate, producendo così nanostrati esfoliati. La sequenza di immagini qui sotto mostra il processo di esfoliazione mediante cavitazione ultrasonica.
La modellazione ha dimostrato che se l'energia superficiale del solvente è simile a quella del materiale stratificato, la differenza di energia tra gli stati esfoliati e riaggregati sarà molto piccola, eliminando la forza trainante per la riaggregazione. Rispetto ai metodi alternativi di agitazione e taglio, gli agitatori a ultrasuoni hanno fornito una fonte di energia più efficace per l'esfoliazione, portando alla dimostrazione dell'esfoliazione assistita da intercalazione ionica di TaS2, NbS2e MoS2così come gli ossidi stratificati. (cfr. Nicolosi et al., 2013)
Protocolli di esfoliazione liquida ad ultrasuoni
L'esfoliazione e la delaminazione a ultrasuoni dello xeno e di altri nanomateriali monostrato sono state ampiamente studiate nella ricerca e trasferite con successo alla fase di produzione industriale. Di seguito presentiamo alcuni protocolli di esfoliazione con sonicazione.
Esfoliazione a ultrasuoni di nanofiocchi di fosforene
Il fosforene (noto anche come fosforo nero, BP) è un materiale monoelementale stratificato 2D formato da atomi di fosforo.
Nella ricerca di Passaglia et al. (2018), viene dimostrata la preparazione di sospensioni stabili di fosforene - metilmetacrilato mediante esfoliazione in fase liquida (LPE) assistita da sonicazione di bP in presenza di MMA seguita da polimerizzazione radicale. Il metacrilato di metile (MMA) è un monomero liquido.
Protocollo per l'esfoliazione liquida a ultrasuoni del fosforene
Le sospensioni di MMA_bPn, NVP_bPn e Sty_bPn sono state ottenute mediante LPE in presenza del solo monomero. In una procedura tipica, ∼5 mg di bP, accuratamente pestati in un mortaio, sono stati messi in una provetta e poi è stata aggiunta una quantità pesata di MMA, Sty o NVP. La sospensione di bP monomero è stata sonicata per 90 minuti utilizzando un omogeneizzatore Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), dotato di sonotrodo S26d2 (diametro della punta: 2 mm). L'ampiezza degli ultrasuoni è stata mantenuta costante al 50% con P = 7 W. In tutti i casi è stato utilizzato un bagno di ghiaccio per migliorare la dissipazione del calore. Le sospensioni finali di MMA_bPn, NVP_bPn e Sty_bPn sono state poi insufflate con N2 per 15 minuti. Tutte le sospensioni sono state analizzate mediante DLS, mostrando valori di rH molto vicini a quelli di DMSO_bPn. Ad esempio, la sospensione MMA_bPn (con circa l'1% di contenuto di bP) è stata caratterizzata da rH = 512 ± 58 nm.
Mentre altri studi scientifici sul fosforene riportano tempi di sonicazione di diverse ore utilizzando detergenti a ultrasuoni, solventi ad alto punto di ebollizione e bassa efficienza, il team di ricerca di Passaglia dimostra un protocollo di esfoliazione a ultrasuoni altamente efficiente utilizzando un ultrasuonatore di tipo a sonda (cioè il Ultrasuonatore Hielscher modello UP200St).
Esfoliazione ultrasonica di nanostrati monostrato
Per leggere dettagli più specifici e i protocolli di esfoliazione per i nanosheet di borofene e ossido di rutenio, seguite i link sottostanti:
Borofene: Per i protocolli di sonicazione e i risultati dell'esfoliazione ultrasonica del borofene, fare clic qui!
RuO2: Per i protocolli di sonicazione e i risultati dell'esfoliazione ultrasonica di nanosheet di ossido di rutenio, fare clic qui!
Esfoliazione a ultrasuoni di nanostrati di silice a pochi strati
Nanosheet di silice esfoliata a pochi strati sono stati preparati da vermiculite naturale (Verm) mediante esfoliazione a ultrasuoni. Per la sintesi dei nanosheet di silice esfoliata è stato applicato il seguente metodo di esfoliazione in fase liquida: 40 mg di nanosheet di silice sono stati dispersi in 40 ml di etanolo assoluto. Successivamente, la miscela è stata sottoposta a ultrasuoni per 2 ore utilizzando un processore a ultrasuoni Hielscher UP200St, dotato di un sonotrodo da 7 mm. L'ampiezza dell'onda ultrasonica è stata mantenuta costante al 70%. È stato applicato un bagno di ghiaccio per evitare il surriscaldamento. I SN non sfogliati sono stati rimossi mediante centrifugazione a 1000 rpm per 10 min. Infine, il prodotto è stato decantato ed essiccato a temperatura ambiente sotto vuoto per una notte. (cfr. Guo et al., 2022)
Sonde e reattori a ultrasuoni ad alta potenza per l'esfoliazione di nanoschede di Xenes
Hielscher Ultrasonics progetta, produce e distribuisce ultrasuonatori robusti e affidabili di qualsiasi dimensione. Dai dispositivi ultrasonici compatti da laboratorio alle sonde e ai reattori ultrasonici industriali, Hielscher ha il sistema ultrasonico ideale per il vostro processo. Grazie alla lunga esperienza in applicazioni come la sintesi e la dispersione di nanomateriali, il nostro personale ben addestrato vi consiglierà la configurazione più adatta alle vostre esigenze. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher sono noti come cavalli di battaglia affidabili negli impianti industriali. In grado di erogare ampiezze molto elevate, gli ultrasuonatori Hielscher sono ideali per applicazioni ad alte prestazioni come la sintesi di xeni e altri nanomateriali monostrato 2D come il borofene, il fosforene o il grafene, nonché per una dispersione affidabile di queste nanostrutture.
Ultrasuoni straordinariamente potenti: Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali a ultrasuoni possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24 e 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.
Massima qualità – Progettato e realizzato in Germania: Tutte le apparecchiature sono progettate e prodotte nella nostra sede centrale in Germania. Prima della consegna al cliente, ogni dispositivo a ultrasuoni viene accuratamente testato a pieno carico. Il nostro obiettivo è la soddisfazione del cliente e la nostra produzione è strutturata in modo da soddisfare i più alti standard di qualità (ad esempio, la certificazione ISO).
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
---|---|---|
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. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Letteratura / Riferimenti
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Passaglia, Elisa; Cicogna, Francesca; Costantino, Federica; Coiai, Serena; Legnaioli, Stefano; Lorenzetti, G.; Borsacchi, Silvia; Geppi, Marco; Telesio, Francesca; Heun, Stefan; Ienco, Andrea; Serrano-Ruiz, Manuel; Peruzzini, Maurizio (2018): Polymer-Based Black Phosphorus (bP) Hybrid Materials by in Situ Radical Polymerization: An Effective Tool To Exfoliate bP and Stabilize bP Nanoflakes. Chemistry of Materials 2018.
- Zunmin Guo, Jianuo Chen, Jae Jong Byun, Rongsheng Cai, Maria Perez-Page, Madhumita Sahoo, Zhaoqi Ji, Sarah J. Haigh, Stuart M. Holmes (2022): High-performance polymer electrolyte membranes incorporated with 2D silica nanosheets in high-temperature proton exchange membrane fuel cells. Journal of Energy Chemistry, Volume 64, 2022. 323-334.
- Sukpirom, Nipaka; Lerner, Michael (2002): Rapid exfoliation of a layered titanate by ultrasonic processing. Materials Science and Engineering A-structural Materials Properties Microstructure and Processing 333, 2002. 218-222.
- Nicolosi, Valeria; Chhowalla, Manish; Kanatzidis, Mercouri; Strano, Michael; Coleman, Jonathan (2013): Liquid Exfoliation of Layered Materials. Science 340, 2013.
Particolarità / Cose da sapere
Fosforene
Il fosforene (anche nanosheet/nanoflakes di fosforo nero) presenta un'elevata mobilità di 1000 cm2 V-1 s-1 per un campione di spessore 5 nm con un elevato rapporto corrente ON/OFF pari a 105. Come semiconduttore di tipo p, il fosforene possiede un band gap diretto di 0,3 eV. Inoltre, il fosforene ha un band gap diretto che aumenta fino a circa 2 eV per il monostrato. Queste caratteristiche del materiale rendono i nanosheet di fosforo nero un materiale promettente per applicazioni industriali in dispositivi nanoelettronici e nanofotonici, che coprono l'intera gamma dello spettro visibile. (cfr. Passaglia et al., 2018) Un'altra potenziale applicazione risiede nelle applicazioni biomediche, poiché la tossicità relativamente bassa rende l'utilizzo del fosforo nero molto interessante.
Nella classe dei materiali bidimensionali, il fosforene è spesso posizionato accanto al grafene perché, a differenza di quest'ultimo, ha un band gap fondamentale non nullo che può essere modulato dalla deformazione e dal numero di strati in una pila.
borofene
Il borofene è un monostrato atomico cristallino di boro, cioè un allotropo bidimensionale del boro (chiamato anche nanosheet 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 aspetti meccanici, termici, elettronici, ottici e superconduttori unici.
Ciò apre la possibilità di utilizzare il borofene per applicazioni nelle batterie agli ioni di metalli alcalini, nelle batterie Li-S, nell'immagazzinamento dell'idrogeno, nei supercondensatori, nella riduzione ed evoluzione dell'ossigeno e nella reazione di elettroriduzione della CO2. Particolare interesse suscita il borofene come materiale anodico per le 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 ottimo materiale anodico per le batterie. Grazie all'elevata capacità di adsorbimento dell'idrogeno da parte del borofene, questo materiale offre un grande potenziale per l'immagazzinamento dell'idrogeno, con una capacità di stoccaggio superiore al 15% del suo peso.
Per saperne di più sulla sintesi e la dispersione ad ultrasuoni del borofene!