Ultraschallsynthes vu Borophen am industrielle Moossstaf
Borophen, en zweedimensionalen nanostrukturéierten Derivat vu Bor, kann duerch eng einfach a käschtegënschteg Ultraschallexfoliatioun effizient synthetiséiert ginn. Ultraschallexfoliatioun an der flësseger Phas ka benotzt ginn, fir grouss Quantitéite vu qualitativ héichwäertege Borophen-Nanoblieder ze produzéieren. D’Ultraschallexfoliatiounstechnik gëtt vill benotzt, fir 2D-Nanomaterialien (z. B. Graphen) ze produzéieren, an ass bekannt fir hir Virdeeler: qualitativ héichwäerteg Nanoblieder, héich Ausbezuelen, eng séier an einfach Duerchféierung souwéi eng héich Gesamteffizienz.
Ultraschallexfoliatiounsmethod fir d’Hierstellung vu Borophen
Duerch Ultraschall ugedriwwen Exfoliatioun an der flësseger Phas gëtt vill benotzt, fir 2D-Nanoblieder aus verschiddene massive Virgängerstoffer hierzestellen, dorënner ënner anerem Graphit (Graphen) a Bor (Borophen). Am Verglach mat der cheemescher Exfoliatiounstechnik gëtt d’ultraschallënnerstëtzt Exfoliatioun an der flësseger Phas als déi méi villverspriechend Strategie ugesinn, fir 0D- an 2D-Nanostrukture wéi Bor-Quantepunkten (BQDs) a Borophen hierzestellen. (kuckt Wang et al., 2021)
D’Schema lénks weist de Prozess vun der Ultraschallexfoliatioun an enger Flëssegkeet bei niddreger Temperatur fir 2D-Borophenblieder mat wéinege Schichten. (Etüd a Bild: ©Lin et al., 2021.)
Sonocheemesche Reakter mat engem industriellen Ultraschallprozessor UIP2000hdT vun 2000 Watt fir d’Exfoliatioun vu Borophen a groussem Moossstaf.
Fallstudien iwwer d’Ultraschallexfoliatioun vu Borophen
D’Exfoliatioun an d’Delaminatioun mat Héichleeschtungsultraschall an engem Prozess an der flësseger Phas goufen ëmfaassend ënnersicht an erfollegräich op Borophen an aner Bor-Derivater wéi Bor-Quantepunkten, Bornitrid oder Magnesiumdiborid applizéiert.
α-Borophen
An der Etüd vu Göktuna an Taşaltın (2021) gouf α-Borophen duerch eng einfach a käschtegënschteg Ultraschallexfoliatioun hiergestallt. Déi duerch Ultraschall synthetiséiert Borophen-Nanoblieder weisen eng kristallin Struktur vun α-Borophen op.
Protokoll: 100 mg Bor-Mikropartikelen an 100 ml DMF goufe bei 200 W (z. B. mam UP200St mat S26d14) fir 4h an enger Kabinn mat gereegeltem Stéckstoffstroum (N2) mat Ultraschall behandelt, fir eng Oxidatioun wärend dem Prozess vun der Ultraschallexfoliatioun an der flësseger Phas ze verhënneren. D’Léisung mat den exfoliéierte Bor-Partikele gouf bei 5000 rpm respektiv 12.000 rpm fir jeeweils 15 min zentrifugéiert. Duerno gouf de Borophen virsiichteg gesammelt an ënner Vakuum fir 4h bei 50ºC gedréchent. (kuckt Göktuna an Taşaltın, 2021)
Schematesch Duerstellung vu Borophen mat wéinege Schichten, deen duerch e solvothermesche Behandlungsprozess mat Ënnerstëtzung vun enger Ultraschallsond exfoliéiert gouf.
Etüd a Bild: ©Zhang et al., 2020
Borophen mat wéinege Schichten
Zhang et al. (2020) beschreiwen eng solvothermesch Exfoliatiounstechnik an der flësseger Phas mat Aceton, déi d’Produktioun vu qualitativ héichwäertegem Borophen mat grousser horizontaler Ausdeenung erméiglecht. Fir de Quelleffekt vum Aceton ze notzen, gouf de Virgängerstoff Borpudder fir d’éischt mat Aceton benetzt. Duerno gouf de benetzte Bor-Virgängerstoff an Aceton bei 200ºC weider solvothermesch behandelt an uschléissend mat engem Ultraschallapparat mat Sond bei 225 W fir 4h beschallt. Schlussendlech gouf Borophen mat wéinege Borschichten an enger horizontaler Ausdeenung vu bis zu 5,05 mm gewonnen. Déi duerch solvothermesch Behandlung an Aceton ënnerstëtzt Exfoliatiounstechnik an der flësseger Phas ka benotzt ginn, fir Bor-Nanoblieder mat groussen horizontalen Ausdeenungen an héijer Qualitéit hierzestellen. (kuckt Zhang et al., 2020)
Wann d’XRD-Muster vum duerch Ultraschall exfoliéierte Borophen mat deem vum massive Bor-Virgängerstoff verglach gëtt, kann en änlecht XRD-Muster observéiert ginn. Déi meescht vun de wichtegsten Diffraktiounsmaxima kënnen dem b-rhomboedresche Bor zougeuerdent ginn, wat drop hindeit, datt d’kristallin Struktur virun an no der Exfoliatiounsbehandlung bal onverännert bleift.
SEM-Biller mat niddreger Opléisung (a) an héijer Opléisung (b) vu Borophen mat wéinege Schichten, deen duerch ultraschallënnerstëtzt solvothermesch Exfoliatioun an Aceton gewonnen gouf
Etüd a Bild: ©Zhang et al., 2020
XRD-Musteren (a) a Raman-Spektren (b) vun onbehandeltem massivem Bor a Borophen mat wéinege Schichten, deen duerch solvothermesch Exfoliatioun mat Ënnerstëtzung vun enger Ultraschallsond gewonnen gouf.
Etüd a Bild: ©Zhang et al., 2020
Sonocheemesch Synthes vu Bor-Quantepunkten
Hao et al. (2020) hunn erfollegräich a groussem Moossstaf eenheetlech kristallin Hallefleeder-Bor-Quantepunkten (BQDs) aus expandéiertem Borpudder an Acetonitril, engem staark polaren organesche Léisungsmëttel, mat engem leeschtungsstaarken Ultraschallapparat mat Sond (z. B., UP400St, UIP500hdT oder UIP1000hdT) hiergestallt. Déi synthetiséiert Bor-Quantepunkten haten eng lateral Gréisst vun 2,46 ±0,4 nm an eng Déckt vun 2,81 ±0,5 nm.
Protokoll: Bei enger typescher Hierstellung vu Bor-Quantepunkte goufe fir d’éischt 30 mg vum Borpudder an en Dräihalskolwe ginn an duerno, virun der Ultraschallbehandlung, 15 mL Acetonitril an de Kolwe bäigefüügt. D’Exfoliatioun gouf bei enger Ausgangsleeschtung vu 400 W (z. B. mam UIP500hdT), enger Frequenz vun 20kHz an enger Ultraschallbehandlungsdauer vu 60 min duerchgefouert. Fir ze verhënneren, datt d’Léisung wärend der Ultraschallbehandlung iwwerhëtzt, gouf se mat engem Äisbad oder engem Labo-Killaggregat op enger konstanter Temperatur gehalen. Déi entstane Léisung gouf bei 1500 rpm fir 60 min zentrifugéiert. Den Iwwerstand, deen d’Bor-Quantepunkten enthale huet, gouf virsiichteg ofgeholl. All d’Experimenter goufe bei Raumtemperatur duerchgefouert. (vgl. Hao et al., 2020)
An der Etüd vu Wang et al. (2021) hunn d’Fuerscher och Bor-Quantepunkte mat der Ultraschall-Flëssegphasexfoliatioun hiergestallt. Si krute monodispers Bor-Quantepunkte mat enger enker Gréissteverdeelung, enger exzellenter Dispergéierbarkeet, enger héijer Stabilitéit an IPA-Léisung an Zwee-Photonen-Fluoreszenz.
TEM-Biller an déi entspriechend Duerchmiesserverdeelung vun de BQDs, déi ënner ënnerschiddlechen Ultraschallbedéngungen hiergestallt goufen. (a) TEM-Bild vu BQDs-2, déi bei 400 W fir 2 h synthetiséiert goufen. (b) TEM-Bild vu BQDs-3, déi bei 550 W fir 1 h synthetiséiert goufen. (c) TEM-Bild vu BQDs-3, déi bei 400 W fir 4 h synthetiséiert goufen. (d) Duerchmiesserverdeelung vun de Quantepunkten aus (a). (e) Duerchmiesserverdeelung vun de Quantepunkten aus (b). (f) Duerchmiesserverdeelung vun de Quantepunkten aus (c).
Etüd a Bild: ©Hao et al., 2020
Ultraschallexfoliatioun vu Magnesiumdiborid-Nanoblieder
D’Exfoliatioun gouf duerchgefouert, andeems 450mg Magnesiumdiboridpudder
(MgB2) (ongeféier 100 Mesh / 149 Mikrometer) an 150 ml Waasser suspendéiert a fir 30 Minutten mat Ultraschall behandelt goufen. D’Ultraschallexfoliatioun ka mat engem Ultraschallapparat mat Sond wéi dem UP200Ht oder UP400St mat enger Amplitüd vun 30% an engem Zyklusmodus mat 10sec Un-/Aus-Impulser duerchgefouert ginn. D’Ultraschallexfoliatioun féiert zu enger déifschwaarzer Suspensioun. Déi schwaarz Faarf kann op d’Faarf vum onbehandelte MgB2-Pudder zeréckgefouert ginn.
Eng Héichvitesssequenz (vun a bis f) vun Eenzelbillere weist déi sonomechanesch Exfoliatioun vun enger Grafittflack a Waasser mam UP200S, engem 200W-Ultraschallapparat mat enger 3mm-Sonotrod. Feiler weisen d’Spléckplaz (Exfoliatioun), wou Kavitatiounsblosen an de Spléck andréngen.
© Tyurnina et al. 2020
Leeschtungsstaark Ultraschallapparater fir d’Borophen-Exfoliatioun an all Moossstaf
Hielscher Ultrasonics entwéckelt, fabrizéiert a verkeeft robust an zouverlässeg Ultraschallapparater an all Gréisst. Vu kompakten Ultraschallapparater fir de Labo bis zu industriellen Ultraschallsonden a Reaktoren huet Hielscher den idealen Ultraschallsystem fir Äre Prozess. Mat laangjäreger Erfarung an Uwendunge wéi der Synthes an der Dispersioun vun Nanomaterialie recommandéiert Iech eist gutt ausgebilt Personal déi gëeegentst Konfiguratioun fir Är Ufuerderungen. Déi industriell Ultraschallprozessoren vun Hielscher si bekannt als zouverlässeg Aarbechtspäerd an industriellen Anlagen. Well si ganz héich Amplitüde liwwere kënnen, sinn d’Ultraschallapparater vun Hielscher ideal fir Héichleeschtungsuwendunge wéi d’Exfoliatioun vu Borophen oder Graphen souwéi d’Dispersioun vun Nanomaterialien. Amplitüde vu bis zu 200µm kënnen ouni Weideres kontinuéierlech am 24/7-Betrib agesat ginn. Fir nach méi héich Amplitüde si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel.
All Hielscher Ultraschallapparater an Accessoirë ginn am Haaptsëtz an Däitschland entwéckelt a fabrizéiert. Virun der Liwwerung un de Client gëtt all Ultraschallapparat suergfälteg ënner voller Laascht getest. Mir striewen d’Zefriddenheet vun eise Clienten un, an eis Produktioun ass esou strukturéiert, datt si déi héchst Ufuerderungen un d’Qualitéitssécherung erfëllt (z. B. ISO-Zertifizéierung).
- héich Effizienz
- Technologie um neiste Stand
- Zouverlässegkeet & Robustheet
- Charge & Inline
- fir all Volumen
- intelligent Software
- intelligent Funktiounen (z. B. Dateprotokolléierung)
- CIP (Botzen op der Plaz)
Déi folgend Tabell gëtt Iech en Iwwerbléck iwwer déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:
| Chargevolumen | Duerchfloss | Recommandéiert Apparater |
|---|---|---|
| 1 bis 500mL | 10 bis 200mL/min | UP100H |
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | méi héich | Verbond vu UIP16000 |
Kontaktéiert eis! / Frot eis!
Hielscher Ultrasonics produzéiert leeschtungsstaark Ultraschallhomogenisateure fir Mëschapplikatiounen, Dispersioun, Emulgéierung an Extraktioun am Labo, an der Pilotanlag an am industrielle Moossstaf.
Literatur / Referenzen
- 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.
Wëssenswäert Fakten
Wat ass Borophen?
Borophen ass eng kristallin atomar Monoschicht aus Bor, d. h., et ass eng zweedimensional Allotropieform vu Bor (och Bor-Nanoschicht genannt). Seng eenzegaarteg physikalesch a cheemesch Charakteristike maachen aus Borophen e wäertvollt Material fir vill industriell Uwendungen.
Zu den aussergewéinleche physikaleschen a cheemeschen Eegenschafte vu Borophen gehéieren eenzegaarteg mechanesch, thermesch, elektronesch, optesch a supraleedend Aspekter.
Dëst mécht et méiglech, Borophen fir Uwendungen an Alkalimetallionebatterien, Li-S-Batterien, bei der Waasserstoffspäicherung, a Superkondensatoren, bei der Sauerstoffreduktioun a -entwécklung souwéi bei der CO2-Elektroreduktiounsreaktioun ze benotzen. Besonnesch groussen Interessi besteet u Borophen als Anodematerial fir Batterien an als Material fir d’Waasserstoffspäicherung. Wéinst sengen héijen theoreetesche spezifesche Kapazitéiten, senger elektronescher Leetfäegkeet a sengen Ionentransporteegenschafte qualifizéiert sech Borophen als exzellent Anodematerial fir Batterien. Wéinst der héijer Adsorptiounskapazitéit vu Borophen fir Waasserstoff bitt et e grousst Potenzial fir d’Waasserstoffspäicherung – mat enger Späicherkapazitéit vun iwwer 15% vu sengem Gewiicht.
Wéi gëtt Borophen fir d’Waasserstoffspäicherung benotzt?
Zweedimensional (2D) Materialien op Borbasis kréie vill Opmierksamkeet als H2-Späichermedien, well Bor eng niddreg Atommass huet an d’Alkalimetaller, déi op der Uewerfläch als Dekoratioun ubruecht sinn an d’Wiesselwierkunge mat H2 verstäerken, stabil sinn. Zweedimensional Borophen-Nanoschichten, déi sech, wéi uewe beschriwwen, einfach duerch Ultraschallexfoliatioun an der flësseger Phas synthetiséiere loossen, hunn eng gutt Affinitéit fir verschidde Metallatomer fir d’Dekoratioun gewisen, bei deenen et zu enger Clusterbildung vu Metallatomer komme kann. Duerch d’Benotze vu verschiddene Metalldekoratiounen, wéi Li, Na, Ca an Ti, op verschiddene Borophen-Polymorphe goufen beandrockend gravimetresch H2-Dichte vu 6 bis 15 wt % erreecht, déi iwwer der Ufuerderung vum US-Energieministère (DOE) vu 6,5wt% H2 fir d’Späicherung u Bord leien. (vgl. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics produzéiert leeschtungsstaark Ultraschallhomogenisateure vu Labogréisst bis zu industrieller Gréisst.