工業規模での超音波ボロフェン合成

ホウ素の二次元ナノ構造誘導体であるボロフェンは、簡便かつ低コストな超音波剥離法によって効率的に合成できる。超音波液相剥離法は、高品質のボロフェンナノシートを大量に製造するのに利用できる。超音波剥離法は、2次元ナノ材料（グラフェンなど）の製造に広く用いられており、高品質なナノシート、高収率、迅速かつ容易な操作、総合的な効率性などの利点でよく知られている。

ボロフェン調製のための超音波剥離法

超音波駆動液相剥離法は、グラファイト（グラフェン）やホウ素（ボロフェン）など、さまざまなバルク前駆体から2次元ナノシートを作製するために広く用いられている。化学的剥離技術と比較して、超音波支援液相剥離は、ホウ素量子ドット（BQD）やボロフェンなどの0Dおよび2Dナノ構造を作製するための、より有望な戦略であると考えられている（Wang et al.(Wangら、2021参照）。
左のスキームは、2次元数層ボロフェンシートの超音波低温液体剥離プロセスを示している（研究・写真：©Lin et al.）

超音波ボロフェン剥離のケーススタディ

液相プロセスにおける超音波を用いた剥離・層間剥離は広く研究されており、ボロフェンや、ホウ素量子ドット、窒化ホウ素、二ホウ化マグネシウムなどのホウ素誘導体への応用に成功している。

α-ボロフェン

Göktuna and Taşaltın (2021)による研究では、αボロフェンが、簡便かつ低コストな超音波剥離法によって調製された。超音波合成されたボロフェンナノシートは、αボロフェンの結晶構造を示す。
プロトコル100mgのホウ素微粒子を、100mlのDMF中、200Wで4時間、窒素（N₂)のフロー制御キャビンで超音波液相剥離プロセス中の酸化を防止した。剥離したホウ素粒子の溶液をそれぞれ 5000 rpm と 12,000 rpm で 15 分間遠心分離した後、ボロフェンを注意深く回収し、真空雰囲気中で 50℃、4 時間乾燥させた（cf. Göktuna and Taşaltın, 2021）。(Göktuna and Taşaltın, 2021参照）。

プローブ超音波アシストソルボサーマル処理により剥離した数層のボロフェンの模式図。
研究と写真：©Zhang et al, 2020

数層ボロフェン

Zhangら（2020）は、アセトン溶媒熱液相剥離法を報告しており、これにより大きな水平サイズを持つ高品質のボロフェンを製造することができる。アセトンの膨潤効果を利用して、まずホウ素粉末前駆体をアセトン中で濡らした。次に、アセトン中で200℃の温度で湿潤させたホウ素前駆体をソルボサーマル処理した後、プローブ型ソニケーターを用いて225Wで4時間超音波処理を行った。数層のホウ素層を有し、最大5.05 mmの水平サイズを有するボロフェンが最終的に得られた。アセトン溶媒熱アシスト液相剥離法は、水平サイズが大きく高品質なホウ素ナノシートの作製に利用できる。(Zhangら、2020参照）。
超音波剥離したボロフェンのXRDパターンをバルクのホウ素前駆体と比較すると、同様のXRDパターンが観察された。主要な回折ピークのほとんどがb-菱面体晶ホウ素であることから、剥離処理の前後で結晶構造がほぼ保存されていることが示唆される。

アセトン中での超音波ソルボサーマル剥離により得られた、層数の少ないボロフェンの低分解能（a）と高分解能（b）のSEM像。
研究と写真：©Zhang et al, 2020

プローブ超音波アシストソルボサーマル剥離法によって得られた未処理のバルクボロンと数層ボロフェンのXRDパターン（a）とラマンスペクトル（b）。
研究と写真：©Zhang et al, 2020

ホウ素量子ドットのソノケミカル合成

Haoら(2020)は、強力なプローブ型超音波発生装置を用いて、極性の高い有機溶媒であるアセトニトリル中で、膨張したホウ素粉末から大規模で均一な結晶性の半導体ホウ素量子ドット(BQDs)を作製することに成功した(例、 UP400ST, UIP500hdT または UIP1000hdT).合成されたホウ素量子ドットの横サイズは2.46±0.4 nm、厚さは2.81±0.5 nmであった。
プロトコール典型的なホウ素量子ドットの調製では、まず30mgのホウ素粉末を3つ口フラスコに入れ、超音波処理の前に15mLのアセトニトリルを瓶に加えた。剥離は出力400Wで行った（例えば UIP500hdT)、周波数20kHz、超音波照射時間60分。超音波処理中の溶液の過熱を避けるため、アイスバスまたはラボ用冷却器を用いて冷却し、温度を一定にした。得られた溶液を1500rpmで60分間遠心分離した。ホウ素量子ドットを含む上澄みを穏やかに抽出した。実験はすべて室温で行った。(参照：Hao et al.）
Wangら（2021）の研究でも、超音波液相剥離法を用いてホウ素量子ドットを作製している。彼らは、狭いサイズ分布、優れた分散性、IPA溶液中での高い安定性、2光子蛍光を有する単分散ホウ素量子ドットを得た。

異なる超音波条件で合成したBQDのTEM像と直径分布。(a）400Wで2時間合成したBQDs-2のTEM像。（b）550Wで1時間合成したBQDs-3のTEM像。（c）400Wで4時間合成したBQDs-3のTEM像。(e）（b）で得られた量子ドットの直径分布。(f）（c）から得られた量子ドットの直径分布。
研究と写真：©Hao et al, 2020

二ホウ化マグネシウムナノシートの超音波剥離

剥離のプロセスは、450mgの二ホウ化マグネシウムを懸濁させることによって行われた。
(MgB₂約100メッシュ／149ミクロン）の粉末を150mlの水に溶かし、30分間超音波にさらす。超音波剥離は、以下のようなプローブ型超音波発生器を用いて行うことができる。 UP200Ht または UP400ST 振幅30％、サイクルモード10秒のオン／オフパルス。超音波剥離の結果、濃い黒色の懸濁液が得られた。この黒色は原始的なMgB2粉末の色に起因する。

を用いた水中でのグラファイト薄片の超音波機械的剥離を示すフレームの高速シーケンス（aからf）。 200W 超音波発生器 UP200S 3mmソノトロードを使用。矢印は、キャビテーション気泡が貫通した割れ目（剥離）の場所を示す。
Tyurnina et al.

あらゆる規模のボロフェン剥離のための強力な超音波発生装置

Hielscher Ultrasonics社は、あらゆるサイズの堅牢で信頼性の高い超音波装置を設計、製造、販売しています。コンパクトなラボ用超音波装置から工業用超音波プローブやリアクターまで、Hielscherはお客様のプロセスに理想的な超音波システムをご用意しています。ナノ材料の合成や分散などのアプリケーションにおいて長年の経験を持つ弊社の熟練したスタッフが、お客様のご要望に最適なセットアップをご提案いたします。Hielscher社の工業用超音波処理装置は、工業設備における信頼性の高い作業馬として知られています。非常に高い振幅が可能なHielscherの超音波処理装置は、ナノ材料の分散だけでなく、ボロフェンやグラフェンの剥離のような高性能アプリケーションに最適です。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続運転が容易です。さらに高い振幅を必要とする場合は、カスタマイズされた超音波ソノトロードをご利用いただけます。
すべての装置はドイツの本社で設計・製造されています。お客様にお届けする前に、すべての超音波装置は全荷重下で入念にテストされます。私たちはお客様の満足のために努力し、私たちの生産は最高の品質保証（ISO認証など）を満たすように構成されています。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：