Ultraschallexfoliatioun vu Xenen

Xene sinn 2D-Nanomaterialien aus engem eenzegen Element mat aussergewéinlechen Eegenschafte wéi enger ganz grousser Uewerfläch an anisotrope physikaleschen / cheemeschen Eegenschaften, dorënner enger iwwerleeëner elektrescher Leetfäegkeet oder Zuchfestegkeet. Ultraschallexfoliatioun oder -delaminatioun ass eng effizient an zouverlässeg Technik, fir einschichteg 2D-Nanoblieder aus geschichte Virleefermaterialien ze produzéieren. D’Ultraschallexfoliatioun ass scho fir d’Produktioun vu qualitativ héichwäertege Xenen-Nanoblieder am industrielle Moossstaf etabléiert.

Xenen – Einschichteg Nanostrukturen

Xene sinn einschichteg (2D) Nanomaterialien aus engem eenzegen Element, déi eng graphenänlech Struktur, kovalent Bindunge bannent der Schicht a schwaach Van-der-Waals-Kräften tëscht de Schichten opweisen. Beispiller vu Materialien, déi zur Klass vun de Xene gehéieren, si Borophen, Silicen, Germanen, Stanen, Phosphoren (schwaarze Phosphor), Arsenen, Bismuthen souwéi Telluren an Antimonen. Wéinst hirer einschichteger 2D-Struktur zeechne sech Xenen-Nanomaterialien duerch eng ganz grouss Uewerfläch souwéi verbessert cheemesch a physikalesch Reaktivitéiten aus. Dës strukturell Eegenschafte ginn de Xenen-Nanomaterialien beandrockend photonesch, katalytesch, magneetesch an elektronesch Eegenschaften a maachen dës Nanostrukture fir vill industriell Uwendunge ganz interessant. D’Bild lénks weist SEM-Opname vun duerch Ultraschall exfoliéiertem Borophen.

Ultraschallreakter fir d'industriell Exfoliatioun vun 2D-Nanoschichte wéi Xenen (z. B. Borophen, Silicen, Germanen, Stanen, Phosphoren (schwaarze Phosphor), Arsenen, Bismuthen, an Telluren an Antimonen).

Reakter mat engem 2000 Watt Ultraschallapparat UIP2000hdT fir d’Exfoliatioun vu Xenen-Nanoblieder a groussem Moossstaf.

Produktioun vu Xenen-Nanomaterialien duerch Ultraschalldelaminatioun

Flëssegkeetsexfoliatioun vu geschichten Nanomaterialien: Einschichteg 2D-Nanoblieder ginn aus anorganesche Materialie mat geschichte Strukturen (z. B. Graphit) produzéiert, déi aus labber openee gestapelte Wiertsschichte bestinn, bei deenen d’Auslagerung vu bestëmmten Ionen an/oder Léisungsmëttelen eng Ausdehnung vun de Schichtenzwëscherraim oder e Quelle bewierkt. D’Exfoliatioun, bei där déi geschichte Phas an Nanoblieder opgespléckt gëtt, geet typescherweis mam Quellen anenee wéinst den elektrostateschen Unzéiungskräften tëscht de Schichten, déi séier méi schwaach ginn, wouduerch kolloidal Dispersioune vun den eenzelen 2D-Schichten oder -Blieder entstinn. (vgl. Geng et al, 2013) Allgemeng ass bekannt, datt d’Quellen d’Exfoliatioun duerch Ultraschallbehandlung erliichtert an zu negativ geluedenen Nanoblieder féiert. Eng cheemesch Virbehandlung erliichtert och d’Exfoliatioun duerch Ultraschallbehandlung a Léisungsmëttelen. Zum Beispill erméiglecht d’Funktionaliséierung d’Exfoliatioun vu geschichten Duebelhydroxiden (LDHs) an Alkoholen. (vgl. Nicolosi et al., 2013)
Fir d’Ultraschallexfoliatioun / -delaminatioun gëtt dat geschichte Material an engem Léisungsmëttel staarken Ultraschallwellen ausgesat. Wann Ultraschallwelle mat héijer Energiedicht an eng Flëssegkeet oder eng Schlämm agekoppelt ginn, entsteet akustesch Kavitation, och Ultraschallkavitation genannt. Ultraschallkavitation zeechent sech duerch d’Zesummefale vu Vakuumblosen aus. D’Ultraschallwelle breede sech duerch d’Flëssegkeet aus a generéieren ofwiesselnd Déifdrock- / Héichdrockzyklen. Déi winzeg Vakuumblose entstinn an engem Déifdrockzyklus (Verdënnungszyklus) a wuessen iwwer e puer Déifdrock- / Héichdrockzyklen. Wann eng Kavitatiounsblos de Punkt erreecht, wou se keng weider Energie méi ophuele kann, implodéiert se hefteg a schaaft lokal Bedéngunge mat ganz héijer Energiedicht. E Kavitatiouns-Hotspot ass duerch ganz héich Drécker an Temperaturen, déi entspriechend Drock- an Temperaturënnerscheeder, Héichvitessflëssegkeetsstralen a Schéierkräfte charakteriséiert. Dës sonomechanesch a sonocheemesch Kräfte drécken d’Léisungsmëttel tëscht déi openee gestapelt Schichten a brieche geschichte Partikelstrukturen a kristallin Strukturen op, wouduerch exfoliéiert Nanoblieder entstinn. D’Bildsequenz hei drënner weist den Exfoliatiounsprozess duerch Ultraschallkavitation.

Exfoliatioun vu Graphen am Waasser mat Ultraschall

Eng Héichvitesssequenz (vun a bis f) vun Eenzelopnamen, déi d’sonomechanesch Exfoliatioun vun enger Graphitflack am Waasser mam UP200S, engem 200W Ultraschallapparat, mat enger 3-mm-Sonotrod weist. Feiler weisen d’Plaz vun der Opspléckung (Exfoliatioun), wou Kavitatiounsblosen an de Spléck andréngen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelléierungen hu gewisen, datt den Energieënnerscheed tëscht dem exfoliéierten an dem nees aggregéierten Zoustand ganz kleng ass, wann d’Uewerflächenenergie vum Léisungsmëttel där vum geschichtete Material gläicht, wouduerch déi dreiwend Kraaft fir eng erneit Aggregatioun ewechfält. Am Verglach mat alternative Réier- a Schéiermethoden hunn Ultraschallréierwierker eng méi effektiv Energiequell fir d’Exfoliatioun geliwwert, wouduerch d’Exfoliatioun mat Ënnerstëtzung duerch Ioneninterkalatioun vun TaS₂, NbS₂ a MoS₂ souwéi vu geschichteten Oxiden nogewise gouf. (cf. Nicolosi et al., 2013)

D'Ultraschallbehandlung ass en héicheffizient an zouverlässegt Instrument fir d'Exfoliatioun vun Nanoschichte wéi Graphen an Xenen a Flëssegkeeten.

TEM-Biller vun Nanoblieder, déi an enger Flëssegkeet mat Ultraschall exfoliéiert goufen: (A) E Graphen-Nanoblat, dat duerch Ultraschallbehandlung am Léisungsmëttel N-Methylpyrrolidon exfoliéiert gouf. (B) En h-BN-Nanoblat, dat duerch Ultraschallbehandlung am Léisungsmëttel Isopropanol exfoliéiert gouf. (C) E MoS2-Nanoblat, dat duerch Ultraschallbehandlung an enger wässerlecher Tensidléisung exfoliéiert gouf.
(Etüd a Biller: ©Nicolosi et al., 2013)

Protokoller fir d’Exfoliatioun a Flëssegkeete mat Ultraschall

D’Exfoliatioun an d’Delaminatioun vu Xenen an aneren eenlagëgen Nanomaterialie mat Ultraschall goufen an der Fuerschung ëmfaassend ënnersicht an erfollegräich an d’industriell Produktioun iwwerdroen. Hei drënner presentéiere mir Iech ausgewielten Exfoliatiounsprotokoller mat Ultraschallbehandlung.

Exfoliatioun vu Phosphoren-Nanoflake mat Ultraschall

Phosphoren (och als schwaarze Phosphor, BP, bekannt) ass e geschichtet 2D-Material aus engem eenzegen Element, dat aus Phosphoratomer besteet.
An der Fuerschungsaarbecht vu Passaglia et al. (2018) gëtt d’Hierstellung vu stabile Phosphoren−Methylmethacrylat-Suspensiounen duerch eng ultraschallënnerstëtzt Flëssegphasexfoliatioun (LPE) vu bP a Presenz vu MMA mat uschléissender radikalescher Polymerisatioun demonstréiert. Methylmethacrylat (MMA) ass e flëssege Monomer.

Protokoll fir d’Exfoliatioun vu Phosphoren a Flëssegkeete mat Ultraschall

MMA_bPn-, NVP_bPn- a Sty_bPn-Suspensioune goufen duerch LPE a Presenz vum jeeweilege Monomer eleng kritt. Bei engem typesche Verfare goufen ∼5 mg bP, déi virsiichteg an engem Mörser zerklengert gi waren, an e Reagenzglas ginn an duerno eng ofgeweie Quantitéit MMA, Sty oder NVP bäigefüügt. D’Monomer-bP-Suspensioun gouf 90 min laang mat engem Hielscher Ultrasonics Homogenisator UP200St (200W, 26kHz), dee mat der Sonotrod S26d2 (Duerchmiesser vun der Spëtzt: 2 mm) ekipéiert war, mat Ultraschall behandelt. D’Ultraschallamplitud gouf bei P = 7 W konstant op 50% gehalen. An alle Fäll gouf en Äisbad benotzt, fir d’Wäermt besser ofzeféieren. Déi fäerdeg MMA_bPn-, NVP_bPn- a Sty_bPn-Suspensioune goufen duerno 15 min laang mat N2 duerchblosen. All d’Suspensioune goufe mat DLS analyséiert, woubäi d’rH-Wäerter ganz no bei deem vun DMSO_bPn louchen. Zum Beispill war d’MMA_bPn-Suspensioun (mat engem bP-Gehalt vu ronn 1%) duerch rH = 512 ± 58 nm charakteriséiert.
Wärend aner wëssenschaftlech Etüden iwwer Phosphoren Ultraschallbehandlungszäite vun e puer Stonne mat engem Ultraschallbotzapparat, Léisungsmëttel mat héijem Kachpunkt an eng niddreg Effizienz uginn, demonstréiert d’Fuerschungsequipe vu Passaglia en héicheffiziente Protokoll fir d’Exfoliatioun mat engem Ultraschallapparat mat Sond (an zwar dem Hielscher Ultraschallapparat Modell UP200St).

Exfoliatioun vun eenlagëgen Nanoblieder mat Ultraschall

Fir méi spezifesch Detailer an Exfoliatiounsprotokoller fir Borophen- a Rutheniumoxid-Nanoblieder ze liesen, befollegt wgl. d’Linken hei drënner:
Borophen: Fir Ultraschallbehandlungsprotokoller a Resultater vun der Exfoliatioun vu Borophen mat Ultraschall, klickt wgl. hei!
RuO2: Fir Ultraschallbehandlungsprotokoller a Resultater vun der Exfoliatioun vu Rutheniumoxid-Nanoblieder mat Ultraschall, klickt wgl. hei!

Exfoliatioun vu Siliziumdioxid-Nanoblieder mat wéinege Lage mat Ultraschall

Exfoliéiert Siliziumdioxid-Nanoplättche mat wéinege Schichte goufen duerch Ultraschallexfoliatioun aus natierlechem Vermiculit (Verm) hiergestallt. Fir d’Synthes vun exfoliéierte Siliziumdioxid-Nanoplättche gouf follgend Exfoliatiounsmethod an der Flëssegphas ugewannt: 40 mg Siliziumdioxid-Nanoplättche goufen a 40 mL absoluten Ethanol dispergéiert. Duerno gouf d’Mëschung 2 h laang mat engem Hielscher Ultraschallprozessor UP200St, dee mat enger 7 mm Sonotrod equipéiert war, mat Ultraschall behandelt. D’Amplitud vun der Ultraschallwell gouf konstant op 70% gehalen. En Äisbad gouf agesat, fir eng Iwwerhëtzung ze vermeiden. Net exfoliéiert SN goufen duerch Zentrifugéiere bei 1000 rpm fir 10 min ewechgeholl. Zum Schluss gouf de Produit dekantéiert an iwwer Nuecht bei Raumtemperatur ënner Vakuum gedréchent. (vgl. Guo et al., 2022)

D'Ultraschallexfoliatioun vun 2D-Monoschicht-Nanoschichte wéi Xenen (z. B. Phosphoren, Borophen asw.) gëtt effizient duerch eng Ultraschallbehandlung mat enger Sond duerchgefouert.

Ultraschallexfoliatioun vun einschichtegen Nanoplättche mam Ultraschallapparat UP400ST.

Ultraschallexfoliatioun vun eenzelege Nanoschichten a Flëssegkeeten.

D’Ultraschallexfoliatioun an der Flëssegphas ass héichwierksam fir d’Produktioun vun Xenen-Nanoplättchen. D’Bild weist den 1000 Watt staarken UIP1000hdT.

Héichleeschtungs-Ultraschallsonden a Reaktere fir d’Exfoliatioun vun Xenen-Nanoplättchen

Hielscher Ultrasonics entwéckelt, fabrizéiert a verdeelt robust an zouverlässeg Ultraschallapparater an alle Gréissten. Vu kompakten Ultraschallapparater fir de Laboratoire bis hin zu industriellen Ultraschallsonden a Reakteren 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 sinn als zouverlässeg Aarbechtspäerd an industriellen Anlagen bekannt. Well si ganz héich Amplitudë liwwere kënnen, sinn d’Ultraschallapparater vun Hielscher ideal fir Héichleeschtungsuwendunge wéi d’Synthes vun Xenen an aneren einschichtegen 2D-Nanomaterialie wéi Borophen, Phosphoren oder Graphen souwéi fir eng zouverlässeg Dispersioun vun dësen Nanostrukturen.
Aussergewéinlech leeschtungsstaarken Ultraschall: Déi industriell Ultraschallprozessoren vun Hielscher Ultrasonics kënne ganz héich Amplitudë liwweren. Amplitudë vu bis zu 200µm kënne problemlos kontinuéierlech am 24/7-Betrib agesat ginn. Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel.
Héchst Qualitéit – An Däitschland entwéckelt an hiergestallt: All Apparater ginn an eisem Haaptsëtz an Däitschland entwéckelt an hiergestallt. Virun der Liwwerung un de Client gëtt all Ultraschallapparat suergfälteg ënner Volllaascht 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).

D’Tabell hei drënner gëtt Iech en Unhaltspunkt fir déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:

Chargevolumen	Duerchflussquot	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	Verbund aus UIP16000

Kontaktéiert eis! / Stellt eis Är Froen!

Ultraschallhomogenisateure mat héije Schéierkräfte gi fir d'Veraarbechtung am Labo, mat Dëschapparater, am Pilotmoossstaf an am industrielle Moossstaf agesat.

Hielscher Ultrasonics fabrizéiert Héichleeschtungs-Ultraschallhomogenisateure fir Mëschuwendungen, Dispersioun, Emulgéierung an Extraktioun am Labo-, Pilot- an industrielle Moossstaf.

Literatur / Referenzen

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.

Wëssenswäert Fakten

Phosphoren

Phosphoren (och Nanoschichten / Nanoflake vu schwaarzem Phosphor) weist eng héich Mobilitéit vun 1000 cm2 V–1 s–1 fir eng Prouf mat enger Déckt vu 5 nm mat engem héije Stroum-ON/OFF-Verhältnis vun 105 op. Als p-Typ-Hallefleeder huet Phosphoren eng direkt Bandlück vun 0,3 eV. Ausserdeem huet Phosphoren eng direkt Bandlück, déi fir d’Monoschicht op bis zu ongeféier 2 eV klëmmt. Dës Materialeegenschafte maachen Nanoschichte vu schwaarzem Phosphor zu engem villverspriechende Material fir industriell Uwendungen an nanoelektroneschen an nanophotoneschen Apparater, déi de ganze Beräich vum siichtbare Spektrum ofdecken. (cf. Passaglia et al., 2018) Eng weider potenziell Uwendung läit an der Biomedizin, well déi relativ niddreg Toxizitéit d’Benotzung vu schwaarzem Phosphor héich attraktiv mécht.
An der Klass vun den zweedimensionale Materialie gëtt Phosphoren dacks nieft Graphen positionéiert, well Phosphoren, am Géigesaz zu Graphen, eng fundamental Bandlück huet, déi net null ass an déi zousätzlech duerch Deenung an d’Zuel vun de Schichten an engem Stapel moduléiert ka ginn.

Borophen

Borophen ass eng kristallin atomar Monoschicht vu Bor, d. h., et ass eng zweedimensional allotrop Form vu Bor (och Bor-Nanoschicht genannt). Seng eenzegaarteg physikalesch a cheemesch Eegenschafte maachen Borophen zu engem wäertvolle 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, fir d’Waasserstoffspäicherung, a Superkondensatoren, fir d’Sauerstoffreduktioun an d’Sauerstoffentwécklung souwéi fir d’elektrocheemesch Reduktioun vu CO2 ze benotzen. Besonnesch groussen Interessi besteet u Borophen als Anodematerial fir Batterien an als Material fir d’Waasserstoffspäicherung. Duerch héich theoreetesch spezifesch Kapazitéiten, elektronesch Leetfäegkeet an 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.
Liest méi iwwer d’Synthes an d’Dispersioun vu Borophen mat Ultraschall!

Héichleeschtungsultraschall! D'Produktpalette vun Hielscher deckt dat ganzt Spektrum of, vum kompakten Ultraschallapparat fir de Labo iwwer Dëschapparater bis zu vollindustriellen Ultraschallsystemer.

Hielscher Ultrasonics produzéiert héichleeschtungsfäeg Ultraschallhomogenisateure vum Labormoossstaf bis zum industrielle Moossstaf.