산업 규모의 초음파 보로핀 합성
붕소의 2차원 나노 구조 유도체인 보로펜(Borophene)은 쉽고 저렴한 초음파 박리를 통해 효율적으로 합성할 수 있습니다. 초음파 액상 박리 제거는 고품질 보로펜 나노 시트를 대량으로 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 초음파 박리 기술은 2D 나노 물질 (예 : 그래 핀)을 생산하는 데 널리 사용되며 고품질 나노 시트, 높은 수율, 빠르고 쉬운 작동 및 전반적인 효율성의 장점으로 잘 알려져 있습니다.
Borophene 준비를 위한 초음파 박리 방법
초음파 구동 액상 박리는 흑연(그래핀), 붕소(보로펜) 등을 포함한 다양한 벌크 전구체로부터 2D 나노시트를 제조하는 데 널리 사용됩니다. 화학적 박리 기술과 비교할 때 초음파 보조 액상 박리는 붕소 양자점(BQD) 및 보로펜과 같은 0D 및 2D 나노 구조를 제조하는 데 더 유망한 전략으로 간주됩니다. (Wang et al., 2021 참조)
왼쪽 구성표는 2D 소수의 층 붕소 펜 시트의 초음파 저온 액체 박리 과정을 보여줍니다. (연구 및 사진: ©Lin et al., 2021.)
로 갖춰지는 Sonochemical 반응기 2000 와트 산업용 초음파 프로세서 UIP2000hdT 대규모 보로펜 각질 제거용.
초음파 보로펜 박리 사례 연구
액상 공정에서 파워 초음파를 사용한 박리 및 박리는 보로펜 및 붕소 양자점, 질화붕소 또는 이붕산 마그네슘과 같은 기타 붕소 유도체에 널리 연구되어 성공적으로 적용되었습니다.
α-보로펜
Göktuna와 Taşaltın(2021)이 수행한 연구에서 α 보로펜은 쉽고 저렴한 초음파 각질 제거를 통해 제조되었습니다. 초음파로 합성 된 보로펜 나노 시트는 α 보로펜 결정 구조를 나타냅니다.
프로토콜 : 100mg 붕소 미세 입자를 200W에서 100ml DMF에서 질소 (N2) 초음파 액상 박리 과정 중 산화를 방지하기 위한 흐름 제어 캐빈. 박리된 붕소 입자의 용액을 5000rpm 및 12,000rpm으로 각각 15분 동안 원심분리한 다음 보로펜을 조심스럽게 수집하여 50ºC에서 4시간 동안 진공 환경에서 건조했습니다(Göktuna 및 Taşaltın, 2021 참조)
프로브 초음파 보조 용매 처리 공정에 의해 박리된 몇 개의 층이 있는 borophene의 개략도.
연구 및 사진: ©Zhang et al., 2020
few-layer 보로펜
Zhang et al. (2020)은 수평 크기가 큰 고품질 보로펜을 생산할 수 있는 아세톤 용융열 액상 박리 기술을 보고합니다. 아세톤의 팽창 효과를 이용하여, 붕소 분말 전구체를 먼저 아세톤에 적셨다. 그런 다음, 습식 붕소 전구체를 200ºC에서 아세톤으로 추가로 용해성 처리 한 후 225W에서 프로브 형 초음파 발생기로 4 시간 동안 초음파 처리했다. 붕소의 몇 층과 최대 5.05mm의 수평 크기를 가진 보로핀이 마침내 얻어졌습니다. 아세톤 용매열 보조 액상 박리 기술은 수평 크기가 크고 고품질의 붕소 나노시트를 제조하는 데 사용할 수 있습니다. (참고: Zhang et al., 2020)
초음파로 박리된 보로펜의 XRD 패턴을 벌크 붕소 전구체와 비교할 때 유사한 XRD 패턴을 관찰할 수 있습니다. 대부분의 주요 회절 피크는 b-rhombohedral boron에 인덱싱될 수 있으며, 이는 결정 구조가 박리 처리 전후에 거의 보존됨을 시사합니다.
아세톤의 초음파 보조 용매 제거 제거로 얻은 층이 거의 없는 보로펜의 저해상도(a) 및 고해상도(b)를 사용한 SEM 이미지
연구 및 사진: ©Zhang et al., 2020
프로브 초음파 보조 용융열 박리로 얻은 층이 거의 없는 처리되지 않은 벌크 붕소 및 보로펜의 XRD 패턴(a) 및 라만 스펙트럼(b).
연구 및 사진: ©Zhang et al., 2020
붕소 양자점의 Sonochemical 합성
Hao et al. (2020)은 강력한 프로브형 초음파기(예: UP400ST, UIP500hdt 님 또는 UIP1000hdt). 측면 크기가 2.46 ±0.4 nm이고 두께가 2.81 ±0.5 nm인 합성된 붕소 양자점.
프로토콜 : 붕소 양자점의 일반적인 준비에서 붕소 분말 30mg을 먼저 3 구 플라스크에 첨가 한 다음 초음파 처리 전에 15mL의 아세토 니트릴을 병에 첨가했습니다. 박리는 400W의 출력 전력에서 수행되었습니다(예: UIP500hdt 님), 20kHz 주파수 및 초음파 시간 60분. 초음파 처리 중 용액의 과열을 피하기 위해, 얼음 목욕 또는 실험실 냉각기를 사용하여 냉각하여 일정한 온도를 유지했습니다. 생성된 용액을 1500rpm에서 60분 동안 원심분리했습니다. 붕소 양자점을 함유한 상층액을 부드럽게 추출하였다. 모든 실험은 실온에서 수행되었습니다. (Hao et al., 2020 참조)
Wang et al. (2021)의 연구에서 연구원은 초음파 액상 박리 기술을 사용하여 붕소 양자점을 준비합니다. 그들은 좁은 크기 분포, 우수한 분산성, IPA 용액에서 높은 안정성 및 2 사진 형광을 가진 단분산 붕소 양자점을 얻었습니다.
TEM 이미지와 BQD의 해당 직경 분포는 서로 다른 초음파 조건에서 준비되었습니다. (a) 2시간 동안 400W에서 합성된 BQDs-2의 TEM 이미지. (b) 1시간 동안 550W에서 합성된 BQDs-3의 TEM 이미지 (c) 4시간 동안 400W에서 합성된 BQDs-3의 TEM 이미지. (d) (a)에서 얻은 양자점의 직경 분포. (e) (b)에서 얻은 양자점의 직경 분포. (f) (c)에서 얻은 양자점의 직경 분포.
연구 및 사진: ©Hao et al., 2020
마그네슘 이붕화물 나노 시트의 초음파 박리
박리 과정은 450mg의 이붕화 마그네슘을 현탁하여 수행했습니다
(마그네슘B2) 분말 (약 100 메쉬 크기 / 149 미크론) 150ml의 물에 넣고 30 분 동안 초음파에 노출시킵니다. 초음파 박리는 다음과 같은 프로브 형 초음파로 수행 할 수 있습니다. UP200HT 또는 UP400ST 진폭이 30%이고 사이클 모드는 10초 켜기/끄기 펄스입니다. 초음파 박리 결과 짙은 검은색 현탁액이 생성됩니다. 검은 색은 깨끗한 MgB2 분말의 색상에 기인 할 수 있습니다.
를 사용하여 물에서 흑연 플레이크의 음파 기계적 박리를 보여주는 프레임의 고속 시퀀스(a에서 f까지) UP200S, 200W 초음파 발생기 3mm sonotrode로. 화살표는 캐비테이션 버블이 분할을 관통하는 분할(박리) 위치를 보여줍니다.
© Tyurnina 외. 2020
모든 규모의 Borophene 각질 제거를위한 강력한 초음파 발생기
Hielscher 초음파는 모든 크기의 견고하고 신뢰할 수있는 초음파를 설계, 제조 및 배포합니다. 소형 실험실 초음파 장치에서 산업용 초음파 프로브 및 반응기에 이르기까지 Hielscher는 공정에 이상적인 초음파 시스템을 갖추고 있습니다. 나노물질 합성 및 분산과 같은 응용 분야에서 오랜 경험을 쌓은 당사의 잘 훈련된 직원이 ypour 요구 사항에 가장 적합한 설정을 추천해 드립니다. Hielscher 산업용 초음파 프로세서는 산업 시설에서 신뢰할 수있는 작업 말로 알려져 있습니다. 매우 높은 진폭을 제공 할 수있는 Hielscher 초음파기는 붕소 또는 그래 핀 박리 및 나노 물질 분산과 같은 고성능 응용 분야에 이상적입니다. 최대 200μm의 진폭을 24/7 작동에서 쉽게 연속적으로 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.
모든 장비는 독일에 있는 본사에서 설계 및 제조됩니다. 고객에게 배송하기 전에 모든 초음파 장치는 최대 부하에서 신중하게 테스트됩니다. 우리는 고객 만족을 위해 노력하며 생산은 최고의 품질 보증(예: ISO 인증)을 이행하도록 구성되어 있습니다.
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- CIP(clean-in-place, 클린-인-플레이스)
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모에서 혼합 응용 분야, 분산, 유화 및 추출을위한 고성능 초음파 균질화기를 제조합니다.
문헌 / 참고문헌
- 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.
알아 둘 만한 가치가 있는 사실
보로펜
보로펜은 붕소의 결정질 원자 단층, 즉 붕소의 2차원 동소체(붕소 나노시트라고도 함)입니다. 그것의 유일한 육체적 및 화학 특성은 borophene를 수많은 산업 응용을 위한 귀중한 물자로 바꿉니다.
Borophene의 탁월한 물리적 및 화학적 특성에는 고유한 기계, 열, 전자, 광학 및 초전도 측면이 포함됩니다.
이는 알칼리 금속 이온 배터리, Li-S 배터리, 수소 저장, 슈퍼 커패시터, 산소 환원 및 진화, CO2 전기 환원 반응에 보로펜을 사용할 수 있는 가능성을 열어줍니다. 특히 배터리용 음극재와 수소 저장재로 활용되는 보로펜에 대한 관심이 높다. 높은 이론적 비용량, 전자 전도성 및 이온 수송 특성으로 인해 보로펜은 배터리용 훌륭한 양극 재료로 자격이 있습니다. 보로펜에 대한 수소의 높은 흡착 능력으로 인해 수소 저장에 대한 큰 잠재력을 제공하며 저장 용량은 무게의 15% 이상입니다.
수소 저장을 위한 보로펜
2차원(2D) 붕소 기반 물질은 붕소의 원자 질량이 낮고 표면에 알칼리 금속을 장식하는 안정성으로 인해 H2와의 상호 작용을 향상시키는 H2 저장 매체로 많은 주목을 받고 있습니다. 위에서 설명한 바와 같이 초음파 액상 박리를 사용하여 쉽게 합성할 수 있는 2차원 보로펜 나노시트는 금속 원자의 클러스터링이 발생할 수 있는 다양한 금속 장식 원자에 대해 우수한 친화력을 보여주었습니다. 다양한 보로펜 다형체에 Li, Na, Ca 및 Ti와 같은 다양한 금속 장식을 사용하여 6에서 15wt에 이르는 인상적인 H2 중량 측정 밀도를 얻었으며, 이는 6.5wt% H2의 온보드 저장에 대한 미국 에너지부(DOE) 요구 사항을 초과합니다. (참조: Habibi et al., 2021)
