ქსენების ულტრაბგერითი აქერცვლა
ქსენი არის ორგანზომილებიანი მონოელემენტური ნანომასალები არაჩვეულებრივი თვისებებით, როგორიცაა ძალიან მაღალი ზედაპირის ფართობი, ანიზოტროპული ფიზიკური/ქიმიური თვისებები, მათ შორის უმაღლესი ელექტროგამტარობა ან დაჭიმვის სიმტკიცე. ულტრაბგერითი აქერცვლა ან დელამინაცია ეფექტური და საიმედო ტექნიკაა ფენოვანი წინამორბედი მასალებისგან ერთფენიანი 2D ნანოფურცლების წარმოებისთვის. ულტრაბგერითი აქერცვლა უკვე დადგენილია მაღალი ხარისხის ქსენის ნანოფურცლების წარმოებისთვის სამრეწველო მასშტაბით.
ქსენები – ერთფენიანი ნანოსტრუქტურები
ქსენი არის ერთფენიანი (2D), მონოელემენტური ნანომასალები, რომლებსაც აქვთ გრაფენის მსგავსი სტრუქტურა, შიდა ფენის კოვალენტური ბმა და სუსტი ვან დერ ვაალსის ძალები ფენებს შორის. მასალების მაგალითები, რომლებიც ქსენების კლასის ნაწილია, არის ბოროფენი, სილიცინი, გერმანინი, სტანინი, ფოსფორენი (შავი ფოსფორი), არსენენი, ბისმუთენი და ტელურენი და ანტიმონენი. მათი ერთფენიანი 2D სტრუქტურის გამო, ქსენების ნანომასალები ხასიათდება ძალიან დიდი ზედაპირით, ასევე გაუმჯობესებული ქიმიური და ფიზიკური რეაქტიულობით. ეს სტრუქტურული მახასიათებლები აძლევს ქსენების ნანომასალებს შთამბეჭდავ ფოტონიკურ, კატალიზურ, მაგნიტურ და ელექტრონულ თვისებებს და ამ ნანოსტრუქტურებს ძალიან საინტერესოს ხდის მრავალი სამრეწველო გამოყენებისთვის. მარცხენა სურათზე ნაჩვენებია ულტრაბგერითი აქერცლილი ბოროფენის SEM გამოსახულებები.
რეაქტორით 2000 ვატიანი ულტრაბგერითი UIP2000hdT ქსენების ნანოფურცლების ფართომასშტაბიანი აქერცვლა.
Xenes-ის ნანომასალების წარმოება ულტრაბგერითი დელამინაციის გამოყენებით
ფენოვანი ნანომასალების თხევადი ექსფოლაცია: ერთშრიანი 2D ნანოფურცლები წარმოებულია არაორგანული მასალებისგან ფენიანი სტრუქტურებით (მაგ., გრაფიტი), რომელიც შედგება თავისუფლად დაწყობილი მასპინძელი ფენებისგან, რომლებიც აჩვენებენ გალერეის ფენა-ფენა გაფართოებას ან შეშუპებას გარკვეული იონების და/ან გამხსნელების შერევით. აქერცვლა, რომლის დროსაც ფენოვანი ფაზა იყოფა ნანოფურცლებად, ჩვეულებრივ თან ახლავს შეშუპებას ფენებს შორის სწრაფად დასუსტებული ელექტროსტატიკური მიზიდულობის გამო, რომლებიც წარმოქმნიან ცალკეული 2D ფენების ან ფურცლების კოლოიდურ დისპერსიებს. (შდრ. Geng et al, 2013) ზოგადად ცნობილია, რომ შეშუპება აადვილებს აქერცვლას ულტრაბგერითი გამოკვლევით და იწვევს უარყოფითად დამუხტულ ნანოფურცლებს. ქიმიური წინასწარი დამუშავება ასევე აადვილებს აქერცვლას გამხსნელებში სონიკაციის საშუალებით. მაგალითად, ფუნქციონალიზაცია იძლევა სპირტებში ფენოვანი ორმაგი ჰიდროქსიდების (LDH) ექსფოლიაციის საშუალებას. (შდრ. Nicolosi et al., 2013)
ულტრაბგერითი აქერცლისთვის/დელამინაციისთვის ფენიანი მასალა ექვემდებარება გამხსნელში მძლავრ ულტრაბგერით ტალღებს. როდესაც ენერგიით მკვრივი ულტრაბგერითი ტალღები წყვილდება სითხეში ან შლაპში, წარმოიქმნება აკუსტიკური ანუ ულტრაბგერითი კავიტაცია. ულტრაბგერითი კავიტაცია ხასიათდება ვაკუუმის ბუშტების კოლაფსით. ულტრაბგერითი ტალღები მოძრაობს სითხეში და წარმოქმნის მონაცვლეობით დაბალი წნევის / მაღალი წნევის ციკლებს. წუთიერი ვაკუუმის ბუშტები წარმოიქმნება დაბალი წნევის (იშვიათობის) ციკლის დროს და იზრდება სხვადასხვა დაბალი წნევის / მაღალი წნევის ციკლებზე. როდესაც კავიტაციის ბუშტი მიაღწევს იმ დონეს, რომ მას არ შეუძლია შთანთქა შემდგომი ენერგია, ბუშტი ძალადობრივად ფეთქდება და ქმნის ადგილობრივად ძალიან ენერგიულ პირობებს. კავიტაციური ცხელი წერტილი განისაზღვრება ძალიან მაღალი წნევით და ტემპერატურით, შესაბამისი წნევით და ტემპერატურის განსხვავებებით, მაღალი სიჩქარით თხევადი ჭავლებით და ათვლის ძალებით. ეს სონომექანიკური და სონოქიმიური ძალები უბიძგებს გამხსნელს დაწყობილ ფენებს შორის და იშლება ფენიანი ნაწილაკების და კრისტალური სტრუქტურები, რითაც წარმოქმნის აქერცლილ ნანოფურცლებს. ქვემოთ მოყვანილი სურათების თანმიმდევრობა გვიჩვენებს ექსფოლიაციის პროცესს ულტრაბგერითი კავიტაციის გზით.
ჩარჩოების მაღალსიჩქარიანი თანმიმდევრობა (a-დან f-მდე), რომელიც ასახავს გრაფიტის ფანტელის სონო-მექანიკურ აქერცვლას წყალში გამოყენებით UP200S, 200 W ულტრაბგერითი 3 მმ სონოტროდთან ერთად. ისრებით ნაჩვენებია გაყოფის (აქერცლის) ადგილი კავიტაციის ბუშტებით, რომლებიც შეაღწევენ გაყოფას.
© ტიურნინა და სხვ. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
მოდელირებამ აჩვენა, რომ თუ გამხსნელის ზედაპირის ენერგია მსგავსია ფენიანი მასალისა, ენერგეტიკული სხვაობა აქერცვლასა და რეაგრეგაციას შორის იქნება ძალიან მცირე, რაც ამოიღებს ხელახალი აგრეგაციის მამოძრავებელ ძალას. ალტერნატიული მორევისა და თხრილის მეთოდებთან შედარებით, ულტრაბგერითი აგიტატორები უზრუნველყოფდნენ ენერგიის უფრო ეფექტურ წყაროს აქერცლისთვის, რაც იწვევს TaS-ის იონების ინტერკალაციის დახმარებით აქერცვლას.2, NbS2და MoS2, ასევე ფენიანი ოქსიდები. (შდრ. Nicolosi et al., 2013)
ულტრაბგერითი თხევადი აქერცლილი ნანოფურცლების TEM გამოსახულებები: (ა) გრაფენის ნანოფურცელი, რომელიც აქერცლებულია სონიკაციით გამხსნელ N-მეთილ-პიროლიდონში. (B) h-BN ნანოფურცელი, რომელიც აქერცლებულია ზონირებით გამხსნელ იზოპროპანოლში. (C) MoS2 ნანოფურცელი, რომელიც აქერცლებულია გაჟღენთით წყლიან სურფაქტანტ ხსნარში.
(შესწავლა და სურათები: ©Nicolosi et al., 2013)
ულტრაბგერითი სითხე-აქერცლის პროტოკოლები
ქსენების და სხვა ერთფენიანი ნანომასალების ულტრაბგერითი აქერცვლა და დელამინაცია ფართოდ იქნა შესწავლილი კვლევებში და წარმატებით გადავიდა სამრეწველო წარმოების ეტაპზე. ქვემოთ წარმოგიდგენთ არჩეულ აქერცვლას სონიკაციით.
ფოსფორის ნანოფლიქების ულტრაბგერითი ექსფოლიაცია
ფოსფორინი (ასევე ცნობილი როგორც შავი ფოსფორი, BP) არის 2D ფენიანი, მონოელემენტური მასალა, რომელიც წარმოიქმნება ფოსფორის ატომებისგან.
Passaglia-ს და სხვ. (2018), ნაჩვენებია ფოსფორენ - მეთილის მეთაკრილატის სტაბილური სუსპენზიების მომზადება bP-ის თხევადი ფაზის ექსფოლიაციის (LPE) დახმარებით, MMA-ს თანდასწრებით, რასაც მოჰყვება რადიკალური პოლიმერიზაცია. მეთილის მეთაკრილატი (MMA) არის თხევადი მონომერი.
პროტოკოლი ფოსფორინის ულტრაბგერითი თხევადი ექსფოლიაციისთვის
MMA_bPn, NVP_bPn და Sty_bPn სუსპენზია მიღებული იქნა LPE-ით ერთადერთი მონომერის თანდასწრებით. ტიპიურ პროცედურაში, ~5 მგ bP, ფრთხილად დაქუცმაცებული ნაღმტყორცნებში, ჩასვეს სინჯარაში და შემდეგ დაემატა შეწონილი რაოდენობა MMA, Sty, ან NVP. მონომერის bP სუსპენზია 90 წუთის განმავლობაში გაჟღენთილი იყო Hielscher Ultrasonics ჰომოგენიზატორის UP200St (200W, 26kHz) გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილია sonotrode S26d2 (წვერის დიამეტრი: 2 მმ). ულტრაბგერითი ამპლიტუდა შენარჩუნდა მუდმივი 50% P = 7 W. ყველა შემთხვევაში, ყინულის აბაზანა გამოიყენებოდა გაუმჯობესებული სითბოს გაფრქვევისთვის. საბოლოო MMA_bPn, NVP_bPn და Sty_bPn სუსპენზია შემდეგ ჩაისვენეს N2-ით 15 წუთის განმავლობაში. ყველა სუსპენზია გაანალიზდა DLS-ით, აჩვენებდა rH მნიშვნელობებს DMSO_bPn-თან ძალიან ახლოს. მაგალითად, MMA_bPn სუსპენზია (დაახლოებით 1% bP შემცველობით) ხასიათდებოდა rH = 512 ± 58 ნმ.
მაშინ, როდესაც ფოსფორენზე სხვა სამეცნიერო კვლევებმა აჩვენა ულტრაბგერითი გამწმენდის, მაღალი დუღილის წერტილის გამხსნელების და დაბალი ეფექტურობის გამოყენებით გაჟღერების დრო რამდენიმე საათის განმავლობაში, Passaglia-ს მკვლევარები აჩვენებენ მაღალეფექტურ ულტრაბგერითი აქერცვლის პროტოკოლს ზონდის ტიპის ულტრაბგერითი აპარატის გამოყენებით (კერძოდ, Hielscher ულტრაბგერითი მოდელი UP200St).
ერთფენიანი ნანოფურცლების ულტრაბგერითი აქერცვლა
ბოროფენისა და რუთენიუმის ოქსიდის ნანოფურცლების უფრო სპეციფიკური დეტალებისა და აქერცვლის პროტოკოლების წასაკითხად, გთხოვთ, მიჰყვეთ ქვემოთ მოცემულ ბმულებს:
ბოროფენი: ულტრაბგერითი ბოროფენის ექსფოლიაციის ოქმებისა და შედეგებისთვის, გთხოვთ, დააწკაპუნოთ აქ!
RuO2: ულტრაბგერითი რუთენიუმის ოქსიდის ნანოფურცლის ექსფოლაციის ოქმებისა და შედეგებისთვის, გთხოვთ, დააწკაპუნოთ აქ!
რამდენიმე ფენის სილიციუმის ნანოფურცლების ულტრაბგერითი ექსფოლაცია
რამდენიმე ფენის აქერცლილი სილიციუმის ნანოფურცლები მომზადდა ნატურალური ვერმიკულიტისგან (Verm) ულტრაბგერითი აქერცვლით. აქერცლილი სილიციუმის ნანოფურცლების სინთეზისთვის გამოყენებული იქნა შემდეგი თხევადი ფაზის აქერცვლა: 40 მგ სილიციუმის ნანოფურცლები დაფანტეს 40 მლ აბსოლუტურ ეთანოლში. შემდგომში, ნარევი ულტრაბგერითი იყო 2 საათის განმავლობაში Hielscher ულტრაბგერითი პროცესორის UP200St გამოყენებით, რომელიც აღჭურვილი იყო 7 მმ სონოტროდით. ულტრაბგერითი ტალღის ამპლიტუდა უცვლელი იყო 70%-ზე. გადახურების თავიდან ასაცილებლად, ყინულის აბაზანა იქნა გამოყენებული. არაექსფოლირებული SN ამოღებულ იქნა ცენტრიფუგირებით 1000 rpm-ზე 10 წუთის განმავლობაში. საბოლოოდ, პროდუქტი დეკანტირდება და აშრობს ოთახის ტემპერატურაზე ვაკუუმში მთელი ღამის განმავლობაში. (შდრ. Guo et al., 2022)
ერთფენიანი ნანოფურცლების ულტრაბგერითი აქერცვლა ულტრაბგერითი UP400St.
ულტრაბგერითი თხევადი ექსფოლაცია ძალზე ეფექტურია ქსენების ნანოფურცლების წარმოებისთვის. სურათზე ნაჩვენებია 1000 ვატი სიმძლავრე UIP1000hdT.
მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი ზონდები და რეაქტორები ქსენის ნანოფურცლების აქერცლისთვის
Hielscher Ultrasonics შეიმუშავებს, აწარმოებს და ავრცელებს ძლიერ და საიმედო ულტრაბგერას ნებისმიერი ზომის. კომპაქტური ლაბორატორიული ულტრაბგერითი მოწყობილობებიდან დაწყებული სამრეწველო ულტრაბგერითი ზონდებით და რეაქტორებით, Hielscher-ს აქვს იდეალური ულტრაბგერითი სისტემა თქვენი პროცესისთვის. დიდი ხნის გამოცდილებით ისეთ აპლიკაციებში, როგორიცაა ნანომასალების სინთეზი და დისპერსია, ჩვენი კარგად გაწვრთნილი პერსონალი გაგიწევთ რეკომენდაციას თქვენი მოთხოვნებისთვის ყველაზე შესაფერის კონფიგურაციას. Hielscher სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორები ცნობილია, როგორც საიმედო სამუშაო ცხენები სამრეწველო ობიექტებში. Hielscher ულტრაბგერითი, რომელსაც შეუძლია ძალიან მაღალი ამპლიტუდის მიწოდება, იდეალურია მაღალი ხარისხის აპლიკაციებისთვის, როგორიცაა ქსენების და სხვა 2D მონოშრიანი ნანომასალების სინთეზი, როგორიცაა ბოროფენი, ფოსფორენი ან გრაფენი, ასევე ამ ნანოსტრუქტურების საიმედო დისპერსიისთვის.
არაჩვეულებრივად ძლიერი ულტრაბგერა: Hielscher Ultrasonics’ სამრეწველო ულტრაბგერითი პროცესორებს შეუძლიათ ძალიან მაღალი ამპლიტუდის მიწოდება. 200 μm-მდე ამპლიტუდა შეიძლება ადვილად იყოს გაშვებული 24/7 მუშაობისას. კიდევ უფრო მაღალი ამპლიტუდებისთვის ხელმისაწვდომია მორგებული ულტრაბგერითი სონოტროდები.
Უმაღლესი ხარისხი – შექმნილია და დამზადებულია გერმანიაში: ყველა მოწყობილობა შექმნილია და დამზადებულია ჩვენს სათაო ოფისში გერმანიაში. მომხმარებლისთვის მიწოდებამდე, ყველა ულტრაბგერითი მოწყობილობა გულდასმით შემოწმებულია სრული დატვირთვით. ჩვენ ვცდილობთ მომხმარებელთა კმაყოფილებისკენ და ჩვენი წარმოება სტრუქტურირებულია უმაღლესი ხარისხის გარანტიების შესასრულებლად (მაგ. ISO სერთიფიკატი).
ქვემოთ მოყვანილი ცხრილი გვიჩვენებს ჩვენი ულტრაბგერითი აპარატების სავარაუდო დამუშავების შესაძლებლობებს:
| სურათების მოცულობა | Დინების სიჩქარე | რეკომენდებული მოწყობილობები |
|---|---|---|
| 1-დან 500 მლ-მდე | 10-დან 200 მლ/წთ-მდე | UP100H |
| 10-დან 2000 მლ-მდე | 20-დან 400 მლ/წთ-მდე | UP200Ht, UP400 ქ |
| 0.1-დან 20ლ-მდე | 0.2-დან 4ლ/წთ-მდე | UIP2000hdT |
| 10-დან 100 ლ-მდე | 2-დან 10ლ/წთ-მდე | UIP4000hdT |
| na | 10-დან 100ლ/წთ-მდე | UIP16000 |
| na | უფრო დიდი | კასეტური UIP16000 |
Დაგვიკავშირდით! / Გვკითხე ჩვენ!
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორების შერევას აპლიკაციების, დისპერსიის, ემულსიფიკაციისა და ექსტრაქციისთვის ლაბორატორიულ, საპილოტე და სამრეწველო მასშტაბებზე.
ლიტერატურა / ლიტერატურა
- 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.
ფაქტები, რომელთა ცოდნაც ღირს
ფოსფორინი
ფოსფორინს (ასევე შავი ფოსფორის ნანოფურცლები/ნანოფიფქები) ავლენს მაღალ მობილურობას 1000 სმ2 V–1 s–1 5 ნმ სისქის ნიმუშისთვის, მაღალი დენის ჩართვა/გამორთვის კოეფიციენტით 105. როგორც p-ტიპის ნახევარგამტარს, ფოსფორს აქვს პირდაპირი ზოლის უფსკრული 0.3 ევ. გარდა ამისა, ფოსფორინს აქვს პირდაპირი ზოლის უფსკრული, რომელიც იზრდება დაახლოებით 2 ევ-მდე მონოფენისთვის. მასალის ეს მახასიათებლები აქცევს შავი ფოსფორის ნანოფურცლებს პერსპექტიულ მასალად სამრეწველო გამოყენებისთვის ნანოელექტრონულ და ნანოფოტონურ მოწყობილობებში, რომლებიც მოიცავს ხილული სპექტრის მთელ დიაპაზონს. (შდრ. Passaglia et al., 2018) კიდევ ერთი პოტენციური გამოყენება მდგომარეობს ბიომედიცინის აპლიკაციებში, ვინაიდან შედარებით დაბალი ტოქსიკურობა შავი ფოსფორის გამოყენებას უაღრესად მიმზიდველს ხდის.
ორგანზომილებიანი მასალების კლასში, ფოსფორენი ხშირად დგას გრაფენის გვერდით, რადგან, გრაფენისგან განსხვავებით, ფოსფორენს აქვს არანულოვანი ფუნდამენტური ზოლის უფსკრული, რომელიც ასევე შეიძლება მოდულირებული იყოს დაძაბულობისა და დასტაში ფენების რაოდენობის მიხედვით.
ბოროფენი
ბოროფენი არის ბორის კრისტალური ატომური ერთფენა, ანუ ის არის ბორის ორგანზომილებიანი ალოტროპი (ასევე უწოდებენ ბორის ნანოფურცელს). მისი უნიკალური ფიზიკური და ქიმიური მახასიათებლები აქცევს ბოროფენს ღირებულ მასალად მრავალი სამრეწველო გამოყენებისთვის.
ბოროფენის განსაკუთრებული ფიზიკური და ქიმიური თვისებები მოიცავს უნიკალურ მექანიკურ, თერმულ, ელექტრონულ, ოპტიკურ და სუპერგამტარ ასპექტებს.
ეს ხსნის ბოროფენის გამოყენების შესაძლებლობებს ტუტე მეტალის იონურ ბატარეებში, Li-S ბატარეებში, წყალბადის შესანახად, სუპერკონდენსატორის, ჟანგბადის შემცირებასა და ევოლუციაში, აგრეთვე CO2 ელექტრორედუქციის რეაქციაში. განსაკუთრებით დიდი ინტერესი აქვს ბოროფენს, როგორც ბატარეების ანოდის მასალას და წყალბადის შესანახ მასალას. მაღალი თეორიული სპეციფიური სიმძლავრის, ელექტრონული გამტარობისა და იონის ტრანსპორტირების თვისებების გამო, ბოროფენი კვალიფიცირდება, როგორც ბატარეების შესანიშნავი ანოდი მასალა. წყალბადის ბოროფენისადმი მაღალი ადსორბციის უნარის გამო, წყალბადის შესანახად დიდი პოტენციალია - სტროაჟის სიმძლავრით მისი წონის 15%-ზე მეტი.
წაიკითხეთ მეტი ბოროფენის ულტრაბგერითი სინთეზისა და დისპერსიის შესახებ!
Hielscher Ultrasonics აწარმოებს მაღალი ხარისხის ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორებისგან ლაბორატორია რომ სამრეწველო ზომა.