Xenesは、非常に高い表面積、優れた電気伝導性または引張強度を含む異方性の物理的/化学的特性などの異常な特性を有する2D単元素ナノ材料である。超音波剥離または剥離は、層状前駆体材料から単層2Dナノシートを生成するための効率的かつ信頼性の高い技術です。超音波剥離は、工業規模で高品質のxenesナノシートの生産のために既に確立されています。

クセネス – 単層ナノ構造

クセネスは単層(2D)、グラフェンのような構造、層内共有結合、層間の弱いファンデルワールス力を特徴とする単元性ナノ材料です。キセネクラスの一部である材料の例としては、ボロフェン、シリセン、ゲルマネ、スタネン、リン(黒リン)、アルセーヌ、ビスムテン、テルレン、アンチモネンが挙げられる。その単層2D構造により、キセネスナノ材料は、化学的および物理的反応性の向上と同様に、非常に大きな表面によって発火される。この構造特性は、キセネスナノ材料の印象的なフォトニック、触媒、磁気、電子特性を与え、これらのナノ構造を数多くの産業用途にとって非常に興味深いものにします。左の写真は、超音波剥離ボロフェンのSEM画像を示しています。

超音波解断を用いたクセネスナノ材料の製造

層状ナノ材料の液体剥離: 単層2Dナノシートは、層間のギャラリーの膨張または特定のイオンおよび/または溶媒のインターカレーション時の腫れを示す緩層構造(例えば、グラファイト)を有する無機材料から製造される。剥離は、層状相がナノシートに切断されるが、通常、個々の2D層またはシートのコロイド分散を生成する層間の急速に弱まる静電の魅力に起因する腫脹を伴う。(Gengら、2013年)一般的に腫れは超音波を通じて剥離を促進し、負に荷電したナノシートを生じることが知られている。化学前処理はまた溶媒の超音波処理によって剥離を促進する。例えば、官能化はアルコール中の層状二重水酸化物(LIF)の剥離を可能にする。(ニコロシら、 2013)
超音波剥離/剥離のために層状の材料は、溶媒中の強力な超音波に曝露されます。エネルギー密度の高い超音波が液体またはスラリーに結合されると、音響別名超音波キャビテーションが発生します。超音波キャビテーションは、真空気泡の崩壊によって特徴付けられる。超音波波は液体を通過し、交互に低圧/高圧サイクルを生成します。微小真空気泡は、低圧(希薄化)サイクル中に発生し、様々な低圧/高圧サイクルで成長します。キャビテーションバブルがそれ以上のエネルギーを吸収できない地点に達すると、気泡は激しく爆発し、局所的に非常にエネルギー密度の高い状態を作り出します。キャビテーションホットスポットは、非常に高い圧力と温度、それぞれの圧力と温度差、高速液体ジェット、およびせん断力によって決定されます。これらのソノメカニカルおよびソノケミカルな力は積層層の間の溶媒を押し出し、分解層状の粒子および結晶構造を分離し、それによって剥離されたナノシートを作り出す。以下の画像シーケンスは、超音波キャビテーションによる剥離プロセスを示しています。

水中のグラファイトフレークのソノメカニカル剥離を示すフレームの高速シーケンス(aからfまで)を使用して、 UP200S、200W超音波処理器 3mmソトロード付き。矢印は、分割を貫通するキャビテーション気泡で分割(剥離)の場所を示しています。
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

モデリングでは、溶媒の表面エネルギーが層状材料のエネルギーと類似している場合、剥離状態と再凝集状態のエネルギー差が非常に小さくなり、再凝集の駆動力が除去されます。代替攪拌および剪断方法と比較すると、超音波攪拌機は剥離のためのより効果的なエネルギー源を提供し、TaSのイオンインターカレーション支援剥離のデモンストレーションにつながった₂、NbS₂、および MoS₂層状酸化物と同様に。 (ニコロシら、 2013)

超音波液体剥離ナノシートのTEM画像:(A)溶媒N-メチル-ピロリドンの超音波処理によって剥離したグラフェンナノシート。(B)溶媒イソプロパノール中の超音波処理によって剥離したh-BNナノシート。(C)水性界面活性剤溶液中の超音波処理によって剥離されたMoS2ナノシート。
(研究と写真:©ニコロージら、2013)

超音波液体剥離プロトコル

キセネスや他の単層ナノ材料の超音波剥離と剥離は、研究で広範囲に研究されており、工業生産段階に正常に移されました。以下では、超音波処理を使用して剥離プロトコルを選択したを提示します。

リンリンナノフレークの超音波剥離

リン(また、ブラックリン、BPとして知られている)は、リン原子から形成された2D層状の単元材料である。
パッサリアら(2018)の研究では、リンホスレンの安定な懸濁液の調製−−液相剥離(LPE)による超音波処理によるmthacrylateの調製が立証された後に、mmAの存在下でのbPの剥離(LPE)が続くラジカル重合が行われた。メタクリル酸メチル(MMA)は液体モノマーである。

リンの超音波液体剥離のためのプロトコル

MMA_bPn、NVP_bPn、およびSty_bPn懸濁液は、唯一のモノマーの存在下でLPEによって得られた。典型的な手順では、乳鉢で注意深く粉砕した約5 mgのbPを試験管に入れ、次に加重量のMMA、Sty、またはNVPを加えました。モノマーbP懸濁液を、ソノトロードS26d2(先端直径:2mm)を備えたヒールシャー超音波ホモジナイザーUP200St(200W、26kHz)を用いて90分間超音波処理した。超音波振幅は、P = 7Wで50%で一定に維持された。いずれの場合も、熱放散を改善するために氷浴が使用されました。次に、最後のMMA_bPn、NVP_bPn、およびSty_bPnサスペンションにN2を15分間注入しました。すべての懸濁液をDLSで分析し、DMSO_bPn値に非常に近いrH値を示しました。例えば、MMA_bPn懸濁液(約1%のbP含量を有する)は、rH = 512±58nmによって特徴付けられた。
リンに関する他の科学的研究は、超音波洗浄機、高沸点溶媒、および低効率を使用して数時間の超音波処理時間を報告していますが、Passagliaの研究チームは、プローブ型超音波装置を使用して非常に効率的な超音波剥離プロトコルを実証しています(すなわち、 ヒールシャー超音波処理器モデルUP200St）。

単層ナノシートの超音波剥離

ボロフェンおよび酸化ルテニウムナノシートのより具体的な詳細と剥離プロトコルを読むには、以下のリンクをたどってください。
ボロフェン: 超音波処理プロトコルと超音波ボロフェン剥離の結果については、ここをクリックしてください!
RuO2: 超音波処理プロトコルと超音波酸化ルテニウムナノシート剥離の結果については、ここをクリックしてください!

数層シリカナノシートの超音波剥離

少数の層剥離シリカナノシートは、超音波剥離を介して天然バーミキュライト(Verm)から調製された。剥離シリカナノシートの合成のために、以下の液相剥離法を適用した:40mgのシリカナノシートを40mLの無水エタノール中に分散させた。続いて、混合物を、7mmソノトロードを備えたヒールシャー超音波プロセッサUP200Stを用いて2時間超音波処理した。超音波の振幅は70%で一定に保たれた。過熱を避けるために氷浴を適用した。剥離していないSNを1000rpmで10分間遠心分離することにより除去した。最後に、生成物をデカントし、真空下で室温で一晩乾燥させた。(郭ら、2022年参照)

キセネスナノシートの剥離のための高出力超音波プローブと反応器

ヒールシャー超音波設計、製造、および任意のサイズで堅牢で信頼性の高い超音波器を配布します。産業用超音波プローブや原子炉にコンパクトなラボの超音波装置から、ヒールシャーは、あなたのプロセスのための理想的な超音波システムを持っています。ナノ材料合成や分散などのアプリケーションでの長年の経験を持つ当社の十分な訓練を受けたスタッフは、あなたの要件に最適なセットアップをお勧めします。ヒールシャー産業超音波プロセッサは、産業施設で信頼性の高い作業馬として知られています。非常に高い振幅を提供することができる、ヒールシャー超音波器は、このようなボロフェン、ホスホリンやグラフェンなどのxenesや他の2D単層ナノ材料の合成、ならびにこれらのナノ構造の信頼性の高い分散などの高性能アプリケーションに最適です。
非常に強力な超音波: ヒールシャー超音波’ 産業用超音波プロセッサは非常に高い振幅を提供することができます。最大200μmの振幅は、24時間365日の操作で簡単に連続的に実行できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソトロードが利用可能です。
最高品質 – ドイツで設計され、作られました: すべての機器は、ドイツの本社で設計され、製造されています。顧客に配信する前に、すべての超音波デバイスは、慎重に全負荷下でテストされます。私たちは顧客満足を追求し、当社の生産は最高品質保証(例えば、ISO認証)を達成するように構成されています。

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます：