제넨의 초음파 박리
제넨은 매우 높은 비표면적, 우수한 전기 전도도나 인장 강도를 포함하는 이방성 물리적 / 화학적 특성 등 탁월한 특성을 지닌 2D 단일 원소 나노소재입니다. 초음파 박리 또는 층간 분리는 층상 전구체 소재로부터 단층 2D 나노시트를 생산하는 효율적이고 신뢰할 수 있는 기술입니다. 초음파 박리는 산업 규모에서 고품질 제넨 나노시트를 생산하는 기술로 이미 확립되어 있습니다.
제넨 – 단층 나노구조
제넨은 그래핀과 유사한 구조, 층 내부의 공유 결합, 층 사이의 약한 반데르발스 힘을 특징으로 하는 단층(2D) 단일 원소 나노소재입니다. 제넨 계열에 속하는 소재의 예로는 보로펜, 실리센, 저마넨, 스타넨, 포스포렌(흑린), 아르세넨, 비스무텐, 텔루렌 및 안티모넨이 있습니다. 제넨 나노소재는 단층 2D 구조로 인해 표면적이 매우 크고 화학적 및 물리적 반응성이 향상되는 특징이 있습니다. 이러한 구조적 특성은 제넨 나노소재에 뛰어난 광학적, 촉매적, 자기적 및 전자적 특성을 부여하며, 이 나노구조를 수많은 산업 응용 분야에서 매우 흥미로운 소재로 만듭니다. 왼쪽 사진은 초음파로 박리한 보로펜의 SEM 이미지입니다.
제넨 나노시트의 대규모 박리를 위한 2000 와트 초음파 장치 UIP2000hdT 장착 반응기.
초음파 층간 분리를 이용한 제넨 나노소재 생산
층상 나노소재의 액상 박리: 단층 2D 나노시트는 느슨하게 적층된 호스트 층으로 이루어진 층상 구조의 무기 소재(예: 흑연)로부터 생산됩니다. 이러한 층은 특정 이온 및/또는 용매가 삽입되면 층간 공간이 확장되거나 팽윤됩니다. 층상 상이 나노시트로 쪼개지는 박리는 일반적으로 층 사이의 정전기적 인력이 급격히 약해지면서 발생하는 팽윤과 함께 일어나며, 그 결과 개별 2D 층 또는 시트의 콜로이드 분산액이 생성됩니다. (참조: Geng et al, 2013) 일반적으로 팽윤은 초음파 처리를 통한 박리를 촉진하고 음전하를 띤 나노시트를 생성하는 것으로 알려져 있습니다. 화학적 전처리 역시 용매 내 초음파 처리에 의한 박리를 촉진합니다. 예를 들어, 기능화를 통해 알코올 내에서 층상 이중 수산화물(LDHs)을 박리할 수 있습니다. (참조: Nicolosi et al., 2013)
초음파 박리 / 층간 분리를 위해 층상 소재를 용매 내에서 강력한 초음파에 노출시킵니다. 에너지 밀도가 높은 초음파가 액체 또는 슬러리에 전달되면 음향 캐비테이션, 즉 초음파 캐비테이션이 발생합니다. 초음파 캐비테이션은 진공 기포의 붕괴를 특징으로 합니다. 초음파는 액체를 통과하면서 저압 / 고압 주기를 번갈아 생성합니다. 미세한 진공 기포는 저압(희박화) 주기 동안 발생하고 여러 저압 / 고압 주기에 걸쳐 성장합니다. 캐비테이션 기포가 더 이상 에너지를 흡수할 수 없는 지점에 도달하면 기포가 격렬하게 내파하면서 국소적으로 에너지 밀도가 매우 높은 조건을 만듭니다. 캐비테이션 핫스폿은 매우 높은 압력과 온도, 각각의 압력차와 온도차, 고속 액체 제트 및 전단력으로 특징지어집니다. 이러한 초음파의 기계적 힘과 화학적 힘은 적층된 층 사이로 용매를 밀어 넣고 층상 입자 구조와 결정 구조를 분해하여 박리된 나노시트를 생성합니다. 아래 연속 이미지는 초음파 캐비테이션에 의한 박리 과정을 보여 줍니다.
물속에서 흑연 박편이 초음파의 기계적 작용으로 박리되는 과정을 보여 주는 고속 연속 영상(a부터 f까지). 이 과정에는 200W 초음파 장치 UP200S와 3-mm 소노트로드가 사용되었습니다. 화살표는 캐비테이션 기포가 갈라진 틈으로 침투하는 분리(박리) 위치를 보여 줍니다.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
모델링 결과, 용매의 표면 에너지가 층상 물질의 표면 에너지와 유사하면 박리된 상태와 재응집된 상태 사이의 에너지 차이가 매우 작아져 재응집의 구동력이 사라지는 것으로 나타났습니다. 다른 교반 및 전단 방법과 비교했을 때 초음파 교반기는 박리에 더욱 효과적인 에너지원을 제공했으며, 이를 통해 TaS2, NbS2, MoS2 및 층상 산화물의 이온 삽입 보조 박리가 입증되었습니다. (참조: Nicolosi et al., 2013)
초음파 액상 박리로 얻은 나노시트의 TEM 이미지: (A) N-메틸피롤리돈 용매에서 초음파 처리로 박리한 그래핀 나노시트. (B) 이소프로판올 용매에서 초음파 처리로 박리한 h-BN 나노시트. (C) 계면활성제 수용액에서 초음파 처리로 박리한 MoS2 나노시트.
(연구 및 사진: ©Nicolosi et al., 2013)
초음파 액상 박리 프로토콜
제넨 및 기타 단층 나노물질의 초음파 박리와 층간 분리는 광범위하게 연구되었으며, 산업 생산 단계로 성공적으로 이전되었습니다. 아래에서는 초음파 처리를 이용하는 박리 프로토콜을 선별하여 소개합니다.
포스포렌 나노플레이크의 초음파 박리
포스포렌(흑린, BP라고도 함)은 인 원자로 이루어진 2D 층상 단일 원소 물질입니다.
Passaglia et al. (2018)의 연구에서는 MMA가 존재하는 조건에서 bP를 초음파 보조 액상 박리(LPE)한 후 라디칼 중합을 수행하여 안정적인 포스포렌 − 메틸 메타크릴레이트 현탁액을 제조하는 방법을 입증했습니다. 메틸 메타크릴레이트(MMA)는 액체 단량체입니다.
포스포렌의 초음파 액상 박리 프로토콜
MMA_bPn, NVP_bPn 및 Sty_bPn 현탁액은 각각 단량체만 존재하는 조건에서 LPE로 얻었습니다. 일반적인 절차에서는 막자사발에서 조심스럽게 분쇄한 bP ∼5 mg을 시험관에 넣은 다음, 칭량한 MMA, Sty 또는 NVP를 첨가했습니다. 단량체 내 bP 현탁액은 소노트로드 S26d2(팁 직경: 2 mm)가 장착된 Hielscher Ultrasonics 균질기 UP200St(200W, 26kHz)를 사용하여 90 min 동안 초음파 처리했습니다. 초음파 진폭은 P = 7 W에서 50%로 일정하게 유지했습니다. 모든 경우에 열 방출을 개선하기 위해 얼음 수조를 사용했습니다. 그런 다음 최종 MMA_bPn, NVP_bPn 및 Sty_bPn 현탁액에 N2를 15 min 동안 불어넣었습니다. 모든 현탁액을 DLS로 분석한 결과, rH 값이 DMSO_bPn의 값과 매우 유사한 것으로 나타났습니다. 예를 들어 MMA_bPn 현탁액(bP 함량 약 1%)의 rH는 512 ± 58 nm였습니다.
포스포렌에 관한 다른 과학 연구에서는 초음파 세척기와 고비점 용매를 사용하여 수 시간 동안 초음파 처리했으며 효율이 낮았다고 보고하는 반면, Passaglia 연구팀은 프로브형 초음파 처리기를 사용한 고효율 초음파 박리 프로토콜을 제시합니다(사용한 기기는 Hielscher 초음파 처리기 모델 UP200St입니다).
단층 나노시트의 초음파 박리
보로펜 및 산화루테늄 나노시트에 관한 더 구체적인 세부 정보와 박리 프로토콜을 확인하려면 아래 링크를 참조하십시오:
보로펜: 초음파 처리 프로토콜과 보로펜의 초음파 박리 결과를 확인하려면 여기를 클릭하십시오!
RuO2: 초음파 처리 프로토콜과 산화루테늄 나노시트의 초음파 박리 결과를 확인하려면 여기를 클릭하십시오!
소수층 실리카 나노시트의 초음파 박리
천연 질석(Verm)을 초음파로 박리하여 소수층 실리카 나노시트를 제조했습니다. 박리된 실리카 나노시트의 합성에는 다음과 같은 액상 박리 방법을 적용했습니다. 실리카 나노시트 40 mg을 무수 에탄올 40 mL에 분산시켰습니다. 이어서 7 mm 소노트로드가 장착된 Hielscher 초음파 프로세서 UP200St를 사용하여 혼합물을 2 h 동안 초음파 처리했습니다. 초음파의 진폭은 70%로 일정하게 유지했습니다. 과열을 방지하기 위해 얼음 수조를 사용했습니다. 박리되지 않은 SN은 1000 rpm에서 10 min 동안 원심분리하여 제거했습니다. 마지막으로 제품을 따라내어 분리한 후 실온의 진공 조건에서 하룻밤 동안 건조했습니다. (참조: Guo et al., 2022)
단층 나노시트의 초음파 박리에 사용되는 초음파 처리기 UP400ST.
초음파 액상 박리는 제넨 나노시트 생산에 매우 효과적입니다. 사진에 보이는 장치는 출력이 1000와트인 UIP1000hdT입니다.
제넨 나노시트 박리용 고출력 초음파 프로브 및 반응기
Hielscher Ultrasonics는 모든 크기의 견고하고 신뢰할 수 있는 초음파 처리기를 설계, 제조 및 공급합니다. 소형 실험실용 초음파 장치부터 산업용 초음파 프로브와 반응기에 이르기까지 Hielscher는 고객의 공정에 이상적인 초음파 시스템을 제공합니다. 나노소재 합성 및 분산과 같은 응용 분야에서 쌓은 오랜 경험을 바탕으로, 충분한 교육을 받은 당사 직원이 고객의 요구 사항에 가장 적합한 구성을 추천해 드립니다. Hielscher 산업용 초음파 프로세서는 산업 시설에서 신뢰할 수 있는 주력 장비로 알려져 있습니다. 매우 높은 진폭을 제공할 수 있는 Hielscher 초음파 처리기는 제넨과 보로펜, 포스포렌 또는 그래핀 등의 기타 2D 단층 나노소재 합성뿐 아니라 이러한 나노구조체의 신뢰성 있는 분산과 같은 고성능 응용 분야에 이상적입니다.
매우 강력한 초음파: Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로도 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다.
최고 품질 – 독일에서 설계 및 제조: 모든 장비는 독일 본사에서 설계 및 제조됩니다. 모든 초음파 장치는 고객에게 배송되기 전에 전부하 조건에서 세심하게 시험됩니다. 당사는 고객 만족을 위해 노력하며, 최고 수준의 품질 보증 요건(예: ISO 인증)을 충족하도록 생산 체계를 구성하고 있습니다.
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 해당 없음 | 10–100L/min | UIP16000 |
| 해당 없음 | 더 높은 유량 | 클러스터 구성: UIP16000 |
연락하세요! / 문의하세요!
Hielscher Ultrasonics는 실험실, 파일럿 및 산업 규모의 혼합, 분산, 유화 및 추출 용도로 고성능 초음파 균질기를 제조합니다.
문헌 / 참고 자료
- 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.
알아두면 유용한 정보
포스포렌
포스포렌(흑린 나노시트 / 나노플레이크라고도 함)은 두께가 5 nm인 시료에서 1000 cm2 V–1 s–1의 높은 이동도와 105의 높은 전류 ON/OFF 비를 나타냅니다. p형 반도체인 포스포렌은 0.3 eV의 직접 밴드갭을 갖습니다. 또한 포스포렌의 직접 밴드갭은 단일층에서 최대 약 2 eV까지 증가합니다. 이러한 재료 특성 덕분에 흑린 나노시트는 가시광선 스펙트럼의 전체 범위를 포괄하는 나노전자 및 나노광자 소자의 산업적 응용에 유망한 소재입니다. (참조: Passaglia et al., 2018) 또 다른 잠재적 응용 분야는 생물의학으로, 독성이 비교적 낮아 흑린의 활용이 매우 매력적입니다.
이차원 재료 중에서 포스포렌은 흔히 그래핀과 나란히 거론됩니다. 그래핀과 달리 포스포렌은 영이 아닌 기본 밴드갭을 가지며, 이 밴드갭은 변형률과 적층된 층의 수를 통해 추가로 조절할 수 있기 때문입니다.
보로펜
보로펜은 붕소의 결정질 원자 단일층으로, 즉 붕소의 이차원 동소체입니다(붕소 나노시트라고도 함). 보로펜의 고유한 물리적·화학적 특성은 이를 수많은 산업적 응용에 가치 있는 소재로 만듭니다.
보로펜의 탁월한 물리적·화학적 특성에는 고유한 기계적, 열적, 전자적, 광학적 및 초전도 특성이 포함됩니다.
이러한 특성은 보로펜을 알칼리 금속 이온 배터리, Li-S 배터리, 수소 저장, 슈퍼커패시터, 산소 환원 및 발생뿐 아니라 CO2 전기환원 반응에도 활용할 수 있는 가능성을 열어 줍니다. 특히 배터리의 음극 소재와 수소 저장 소재로서 보로펜에 큰 관심이 쏠리고 있습니다. 높은 이론적 비용량, 전자 전도성 및 이온 수송 특성 덕분에 보로펜은 우수한 배터리 음극 소재로 적합합니다. 보로펜은 수소 흡착 용량이 높아 수소 저장에 큰 잠재력을 제공하며, 자체 중량의 15%를 초과하는 저장 용량을 갖습니다.
보로펜의 초음파 합성 및 분산에 대해 자세히 알아보세요!
Hielscher Ultrasonics는 고성능 초음파 균질기를 실험실 규모부터 산업 규모까지 제조합니다.