Xenes의 초음파 박리

Xenes는 매우 높은 표면적, 우수한 전기 전도성 또는 인장 강도를 포함한 이방성 물리적/화학적 특성과 같은 탁월한 특성을 가진 2D 단원소 나노 물질입니다. 초음파 박리 또는 박리는 적층 전구체 물질에서 단층 2D 나노시트를 생산하는 효율적이고 신뢰할 수 있는 기술입니다. 초음파 박리는 이미 산업 규모의 고품질 xenes 나노 시트 생산을 위해 확립되었습니다.

제네스 – 단층 나노 구조

Xenes는 단층(2D), 단원소 나노물질로, 그래핀과 같은 구조, 층 내 공유 결합, 층 간 약한 반데르발스 힘을 특징으로 합니다. 크세네스 부류에 속하는 재료의 예로는 붕소, 실리신, 게르마넨, 스타넨, 포스포렌(흑린), 비소, 비스무텐, 텔루렌 및 안티모넨이 있습니다. 단층 2D 구조로 인해 제네스 나노 물질은 매우 큰 표면과 향상된 화학적 및 물리적 반응성에 의해 charcterized됩니다. 이러한 구조적 특성으로 인해 제네 나노 물질은 인상적인 광자, 촉매, 자기 및 전자 특성을 부여하고 이러한 나노 구조를 수많은 산업 응용 분야에서 매우 흥미롭게 만듭니다. 왼쪽 그림은 초음파로 박리된 보로펜의 SEM 이미지를 보여줍니다.

초음파 박리를 이용한 Xenes 나노물질 생산

층상 나노 물질의 액체 박리: 단층 2D 나노시트는 특정 이온 및/또는 용매의 삽입에 따라 층 간 갤러리 확장 또는 팽창을 표시하는 느슨하게 적층된 호스트 층으로 구성된 적층 구조(예: 흑연)를 가진 무기 물질로 생산됩니다. 층상이 나노시트로 절단되는 박리는 일반적으로 개별 2D 층 또는 시트의 콜로이드 분산을 생성하는 층 사이의 급격히 약화된 정전기 인력으로 인한 팽창을 동반합니다. (참조: Geng et al, 2013) 일반적으로 팽창은 초음파를 통한 박리를 촉진하고 음전하를 띤 나노 시트를 생성하는 것으로 알려져 있습니다. 화학적 전처리는 또한 용매의 초음파 처리를 통해 박리를 촉진합니다. 예를 들어, 기능화는 알코올에서 층상 이중 수산화물(LDH)의 박리를 가능하게 합니다. (Nicolosi et al., 2013 참조)
초음파 박리 / 박리를 위해 적층 된 재료는 용매에서 강력한 초음파에 노출됩니다. 에너지 밀도가 높은 초음파가 액체 또는 슬러리에 결합되면 초음파 캐비테이션이라고도 하는 음향이 발생합니다. 초음파 캐비테이션은 진공 기포의 붕괴가 특징입니다. 초음파는 액체를 통해 이동하여 교대로 저압/고압 사이클을 생성합니다. 미세한 진공 기포는 저압(희박) 주기 동안 발생하고 다양한 저압/고압 주기에 걸쳐 성장합니다. 캐비테이션 버블이 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 지점에 도달하면 버블이 격렬하게 붕괴되어 국부적으로 매우 에너지 밀도가 높은 조건을 만듭니다. 캐비테이션 핫스폿은 매우 높은 압력과 온도, 각각의 압력과 온도 차이, 고속 액체 제트 및 전단력에 의해 결정됩니다. 이러한 초음파 역학적 및 초음파 화학적 힘은 적층층 사이에서 용매를 밀어내고 층상 미립자 및 결정 구조를 분해하여 박리된 나노시트를 생성합니다. 아래 이미지 시퀀스는 초음파 캐비테이션에 의한 박리 과정을 보여줍니다.

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 (CC BY-NC-ND 4.0)

모델링에 따르면 용매의 표면 에너지가 적층 물질의 표면 에너지와 유사하면 박리 상태와 재응집된 상태 간의 에너지 차이가 매우 작아 재응집을 위한 추진력을 제거합니다. 다른 교반 및 전단 방법과 비교할 때 초음파 교반기는 박리를 위한 보다 효과적인 에너지원을 제공하여 TaS의 이온 삽입 보조 박리를 입증했습니다₂, NBS₂및 MoS₂, 뿐만 아니라 층상 산화물. (Nicolosi et al., 2013 참조)

초음파 액체 박리 된 나노 시트의 TEM 이미지 : (A) 용매 N- 메틸 피 롤리 돈에서 초음파 처리를 통해 박리 된 그래 핀 나노 시트. (B) 용매 이소프로판올에서 초음파 처리를 통해 박리된 h-BN 나노시트. (C) 계면활성제 수용액에서 초음파 처리를 통해 박리된 MoS2 나노시트.
(연구 및 사진: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultrasonic Liquid-Exfoliation 프로토콜

크세네스 및 기타 단층 나노 물질의 초음파 박리 및 박리는 연구에서 광범위하게 연구되었으며 성공적으로 산업 생산 단계로 이전되었습니다. 아래에서는 초음파 처리를 사용하여 선택한 박리 프로토콜을 제시합니다.

Phosphorene Nanoflakes의 초음파 박리

인(흑린, BP라고도 함)은 인 원자로 형성된 2D 층상 단원소 물질입니다.
Passaglia et al. (2018)의 연구에서, MMA의 존재 하에서 bP의 초음파 처리 보조 액상 박리 (LPE)에 의한 포스포렌-메틸 메타 크릴레이트의 안정적인 현탁액의 제조 후 라디칼 중합이 입증되었습니다. 메틸 메타크릴레이트(MMA)는 액체 단량체입니다.

Phosphorene의 초음파 액체 박리 프로토콜

MMA_bPn, NVP_bPn 및 Sty_bPn 현탁액은 단독 단량체의 존재 하에 LPE에 의해 얻어졌다. 일반적인 절차에서, ∼5mg의 bP를 모르타르에 조심스럽게 분쇄하여 시험관에 넣은 다음 MMA, Sty 또는 NVP의 가중 양을 첨가했습니다. 단량체 bP 현탁액은 sonotrode S26d2 (팁 직경 : 2mm)가 장착 된 Hielscher 초음파 균질화 기 UP200St (200W, 26kHz)를 사용하여 90 분 동안 초음파 처리되었다. 초음파 진폭은 P = 7 W로 50 %로 일정하게 유지되었다. 모든 경우에 열 발산을 개선하기 위해 얼음 목욕이 사용되었습니다. 그런 다음 최종 MMA_bPn, NVP_bPn 및 Sty_bPn 서스펜션에 15분 동안 N2를 주입했습니다. 모든 현탁액은 DLS로 분석되었으며, rH 값이 DMSO_bPn의 값에 매우 가까운 것으로 나타났습니다. 예를 들어, MMA_bPn 현탁액(bP 함량의 약 1%를 가짐)은 rH = 512 ± 58 nm로 특성화되었다.
인산화에 대한 다른 과학적 연구는 초음파 세척기, 높은 끓는점 용매 및 낮은 효율을 사용하여 몇 시간의 초음파 처리 시간을보고하는 반면, Passaglia의 연구팀은 프로브 형 초음파 처리기 (즉, Hielscher 초음파 발생기 모델 UP200St).

단층 나노시트의 초음파 박리

보로펜 및 루테늄 옥사이드 나노시트에 대한 자세한 내용과 박리 프로토콜을 보려면 아래 링크를 따르십시오.
보로펜: 초음파 처리 프로토콜 및 초음파 보로펜 박리 결과를 보려면 여기를 클릭하십시오!
루오2: 초음파 처리 프로토콜 및 초음파 루테늄 산화물 나노 시트 박리 결과를 보려면 여기를 클릭하십시오!

few-layer silica nanosheets의 초음파 박리

소수의 층으로 박리된 실리카 나노시트는 초음파 박리를 통해 천연 질석(Verm)으로 제조되었습니다. 박리된 실리카 나노시트의 합성을 위해 다음과 같은 액상 박리 방법을 적용하였다: 40 mg 실리카 나노시트를 40 mL 절대 에탄올에 분산시켰다. 그 후, 혼합물을 7mm sonotrode가 장착 된 Hielscher 초음파 프로세서 UP200St를 사용하여 2 시간 동안 초음파 처리했다. 초음파의 진폭은 70%로 일정하게 유지되었습니다. 과열을 피하기 위해 얼음 목욕이 적용되었습니다. 박리되지 않은 SN을 10분 동안 1000rpm에서 원심분리하여 제거하였다. 마지막으로, 제품을 디캔팅하고 진공 상태에서 실온에서 밤새 건조했습니다. (참조: Guo et al., 2022)

Xenes Nanosheets의 박리를 위한 고출력 초음파 프로브 및 반응기

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. 나노 물질 합성 및 분산과 같은 응용 분야에서 오랜 경험을 쌓은 당사의 잘 훈련된 직원이 귀하의 요구 사항에 가장 적합한 설정을 추천해 드릴 것입니다. Hielscher 산업용 초음파 프로세서는 산업 시설에서 신뢰할 수있는 작업 말로 알려져 있습니다. 매우 높은 진폭을 제공 할 수있는 Hielscher 초음파기는 제네 및 보로펜, 포스포렌 또는 그래 핀과 같은 기타 2D 단층 나노 물질의 합성과 같은 고성능 응용 분야뿐만 아니라 이러한 나노 구조의 안정적인 분산에 이상적입니다.
매우 강력한 초음파: Hielscher Ultrasonics’ 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200μm의 진폭은 24/7 작동에서 쉽게 연속적으로 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.
최고 퀄리티 – 독일에서 설계 및 제작: 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 충족하도록 구성되어 있습니다.

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.