Ultraschall Exfoliatioun vun Xenes

Xenes sinn 2D monoelemental Nanomaterialien mat aussergewéinlechen Eegeschafte wéi ganz héich Uewerfläch, anisotropesch physesch / chemesch Eegeschafte mat abegraff super elektresch Konduktivitéit oder Spannkraaft. Ultrasonic Peeling oder Delaminatioun ass eng effizient an zouverlässeg Technik fir Single-Layer 2D Nanosheets aus geschichte Virgängermaterialien ze produzéieren. Ultrasonic Exfoliatioun ass scho fir d'Produktioun vu qualitativ héichwäerteg Xenes Nanosheets op industrieller Skala etabléiert.

xenes – Monolayer Nanostrukturen

Xene si monolayer (2D), monoelemental Nanomaterialien, déi eng grapheneähnlech Struktur, intra-Layer kovalent Bindung a schwaache Van der Waals Kräften tëscht Schichten hunn. Beispiller fir Materialien, déi Deel vun der Xenes Klass sinn, sinn Borophen, Silizen, Germanen, Stanen, Phosphoren (schwaarze Phosphor), Arsenen, Bismuthen, Telluren an Antimonen. Wéinst hirer eenzeger Schicht 2D Struktur sinn xenes Nanomaterialien duerch eng ganz grouss Uewerfläch charakteriséiert wéi och verbessert chemesch a kierperlech Reaktivitéiten. Dës strukturell Charakteristike ginn xenes Nanomaterialien beandrockend fotonesch, katalytesch, magnetesch an elektronesch Eegeschaften a maachen dës Nanostrukture ganz interessant fir vill industriell Uwendungen. D'Bild lénks weist SEM Biller vun ultraschall exfoliéiert Borophen.

Produktioun vun Xenes Nanomaterialien mat Ultraschall Delaminatioun

Liquid Exfoliatioun vu Layered Nanomaterialien: Single-Layer 2D Nanosheets ginn aus anorganesche Materialien mat Schichtenstrukturen (zB Grafit) produzéiert, déi aus locker gestapelten Hostschichten bestinn, déi Schicht-zu-Schicht Galerie Expansioun oder Schwellung op der Interkalatioun vu bestëmmten Ionen an/oder Léisungsmëttel weisen. Exfoliatioun, an där d'Schichtphase an Nanoplacke gespléckt gëtt, begleet normalerweis d'Schwellung duerch déi séier geschwächt elektrostatesch Attraktiounen tëscht de Schichten, déi kolloidal Dispersiounen vun den individuellen 2D Schichten oder Blieder produzéieren. (cf. Geng et al, 2013) Am Allgemengen ass et bekannt datt d'Schwellung d'Exfoliatioun duerch Ultraschall erliichtert an d'Resultat vun negativ geluedenen Nanosheeten. Chemesch Virbehandlung erliichtert och Peeling duerch Sonikatioun a Léisungsmëttelen. Zum Beispill erlaabt d'Funktionaliséierung d'Exfoliatioun vu Schichten Duebelhydroxiden (LDHs) an Alkoholen. (cf. Nicolosi et al., 2013)
Fir Ultraschall Peeling / Delaminatioun ass d'Schichtmaterial op mächteg Ultraschallwellen an engem Léisungsmëttel ausgesat. Wann energiedicht Ultraschallwellen an eng Flëssegkeet oder Schlamm gekoppelt sinn, geschitt akustesch aka Ultraschall Kavitatioun. Ultraschall Kavitatioun ass charakteriséiert duerch den Zesummebroch vu Vakuumblasen. D'Ultraschallwellen reesen duerch d'Flëssegkeet a generéieren ofwiesselnd niddereg Drock / Héichdrock Zyklen. Déi Minutt Vakuum Bubbles entstinn während engem nidderegen Drock (Rarefaction) Zyklus a wuessen iwwer verschidden niddereg Drock / Héichdrock Zyklen. Wann eng Kavitatiounsblase de Punkt erreecht wou se keng weider Energie absorbéiere kann, implodéiert d'Bubble gewalteg a schaaft lokal ganz energiedicht Konditiounen. E Kavitational Hotspot gëtt vu ganz héijen Drock an Temperatur, jeeweilegen Drock an Temperaturdifferenzen, High-Speed-Flëssegstrahlen a Schéierkraaft bestëmmt. Dës sonomechanesch a sonochemesch Kräfte drécken de Léisungsmëttel tëscht de gestapelte Schichten an opbriechend Schichten Partikel a kristallin Strukturen, wouduerch exfoliéiert Nanoblieder produzéieren. D'Bildsequenz hei ënnen weist den Exfoliatiounsprozess duerch Ultraschallkavitatioun.

Eng Héich-Vitesse Sequenz (vun a bis f) vu Frames, déi sono-mechanesch Peeling vun enger Grafitflacke am Waasser illustréieren mat der Hëllef vun der UP200S, engem 200W Ultrasonicator mat 3-mm sonotrode. Pfeile weisen d'Plaz vun der Spaltung (Exfoliatioun) mat Kavitatiounsblasen, déi d'Spalt penetréieren.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

D'Modellering huet gewisen datt wann d'Uewerflächenergie vum Léisungsmëttel ähnlech wéi déi vum Schichtenmaterial ass, den Energiedifferenz tëscht den exfoliéierten a reaggregéierte Staaten ganz kleng ass, wat d'Treibkraaft fir d'Reaggregatioun ewechhëlt. Wann Dir mat alternativen Rühr- a Schéiermethoden vergläicht, hunn Ultraschall-Agitatoren eng méi effektiv Energiequell fir Peeling zur Verfügung gestallt, wat zu der Demonstratioun vun Ioninterkalatioun-assistéiert Peeling vun TaS féiert.₂, Nbs₂, an MoS₂, souwéi schichten Oxiden. (cf. Nicolosi et al., 2013)

TEM Biller vun ultraschall flësseg exfoliéiert Nanosheets: (A) E Graphene Nanosheet exfoliéiert mat Hëllef vu Sonikatioun am Léisungsmëttel N-Methyl-Pyrrolidon. (B) Eng h-BN Nanosheet exfoliéiert duerch Sonikatioun am Léisungsmëttel Isopropanol. (C) Eng MoS2 Nanosheet exfoliéiert duerch Sonikatioun an enger wässerlecher Surfaktant Léisung.
(Studie a Biller: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultrasonic Liquid-Exfoliation Protokoller

Ultrasonic Peeling an Delaminatioun vun Xenen an aner monolayer Nanomaterialien gouf extensiv an der Fuerschung studéiert a gouf erfollegräich an d'industriell Produktiounsstadium transferéiert. Drënner presentéiere mir Iech ausgewielte Peelingprotokoller mat Hëllef vu Sonikatioun.

Ultraschall Exfoliatioun vu Phosphoren Nanoflakes

Phosphor (och bekannt als schwaarze Phosphor, BP) ass en 2D-Schichten, monoelemental Material aus Phosphoratome geformt.
An der Fuerschung vu Passaglia et al. (2018), d'Virbereedung vu stabile Suspensioune vu Phosphoren - Methylmethacrylat duerch sonication-assistéiert Flëssegphase Exfoliatioun (LPE) vu bP an der Präsenz vu MMA gefollegt vun der radikaler Polymeriséierung gëtt bewisen. Methylmethacrylat (MMA) ass e flëssege Monomer.

Protokoll fir Ultraschall Liquid Exfoliatioun vu Phosphoren

MMA_bPn, NVP_bPn, a Sty_bPn Suspensions goufen duerch LPE an der Präsenz vun der eenzeger Monomer kritt. An enger typescher Prozedur gouf ~5 mg bP, virsiichteg an engem Mörser zerquetscht, an e Reagenzglieser gesat an duerno gouf eng gewiicht Quantitéit MMA, Sty oder NVP bäigefüügt. D'Monomer bP Suspension gouf fir 90 min sonicéiert mat Hëllef vun engem Hielscher Ultrasonics Homogenisator UP200St (200W, 26kHz), ausgestatt mat Sonotrode S26d2 (Spëtzt Duerchmiesser: 2 mm). D'Ultraschallamplitude gouf konstant bei 50% mat P = 7 W. An alle Fäll gouf en Äisbad fir eng verbessert Wärmevergëftung benotzt. Déi lescht MMA_bPn, NVP_bPn, a Sty_bPn Suspension goufen duerno mat N2 fir 15 min insuffléiert. All d'Suspensionen goufen duerch DLS analyséiert, déi rH Wäerter wierklech no bei deem vun DMSO_bPn weisen. Zum Beispill war d'MMA_bPn Suspension (mat ongeféier 1% vum bP Inhalt) duerch rH charakteriséiert = 512 ± 58 nm.
Wärend aner wëssenschaftlech Studien iwwer Phosphoren d'Sonicatiounszäit vun e puer Stonnen berichten mat Ultraschallreiniger, héije Kachpunkt-Léisungsmëttel a gerénger Effizienz, weist d'Fuerschungsteam vu Passaglia en héich effizienten Ultraschall-Exfoliatiounsprotokoll mat engem Sonde-Typ Ultrasonicator (nämlech de Hielscher Ultrasonicator Model UP200St).

Ultrasonic Exfoliatioun vu Monolayer Nanosheets

Fir méi spezifesch Detailer an Exfoliatiounsprotokoller fir Borophen a Rutheniumoxid Nanoblieder ze liesen, befollegt w.e.g. d'Links hei ënnen:
Borophene: Fir sonication Protokoller a Resultater vun ultrasonic borophene Exfoliatioun, klickt w.e.g. hei!
RuO2: Fir Sonikatiounsprotokoller a Resultater vun Ultraschall Rutheniumoxid Nanosheet Exfoliatioun, klickt w.e.g. hei!

Ultraschall Exfoliatioun vu wéineg-Layer Silica Nanosheets

Puer-Schicht exfoliated Silica Nanosheets goufen aus natierleche Vermiculite (Verm) iwwer Ultraschall Exfoliatioun virbereet. Fir d'Synthese vun exfoliéierten Silica Nanosheets gouf déi folgend Liquidphase Exfoliatiounsmethod applizéiert: 40 mg Silica Nanosheets goufen an 40 ml absolute Ethanol verdeelt. Duerno gouf d'Mëschung fir 2 h ultrasonicéiert mat engem Hielscher Ultraschallprozessor UP200St, ausgestatt mat enger 7 mm Sonotrode. D'Amplitude vun der Ultraschallwelle gouf konstant bei 70% gehal. En Äisbad gouf applizéiert fir Iwwerhëtzung ze vermeiden. Unexfoliated SN goufen duerch Zentrifugatioun bei 1000 RPM fir 10 min geläscht. Schlussendlech gouf d'Produkt dekantéiert an iwwer Nuecht bei Raumtemperatur ënner Vakuum getrocknt. (cf. Guo et al., 2022)

High-Power Ultraschallproben a Reaktoren fir Exfoliatioun vu Xenes Nanosheets

Hielscher Ultrasonics designt, fabrizéiert a verdeelt robust an zouverléisseg Ultrasonicatoren an all Gréisst. Vu kompakt Labo Ultraschall-Geräter bis industriell Ultraschallsonden a Reaktoren, Hielscher huet den ideale Ultraschallsystem fir Äre Prozess. Mat laanger Zäit Erfahrung an Uwendungen wéi Nanomaterial Synthese a Dispersioun, wäert eis gutt trainéiert Personal Iech déi gëeegent Setup fir Är Ufuerderunge recommandéiere. Hielscher industriell Ultraschallprozessoren sinn als zouverléisseg Aarbechtspäerd an industriellen Ariichtungen bekannt. Kapabel fir ganz héich Amplituden ze liwweren, Hielscher Ultraschaller sinn ideal fir High-Performance Uwendungen wéi Synthese vu Xenen an aner 2D Monolayer Nanomaterialien wéi Borophen, Phosphor oder Graphen wéi och eng zouverléisseg Dispersioun vun dësen Nanostrukturen.
Aussergewéinlech mächteg Ultraschall: Hielscher Ultrasonics’ industriell Ultraschallprozessoren kënne ganz héich Amplituden liwweren. Amplituden vu bis zu 200µm kënne ganz einfach kontinuéierlech a 24/7 Operatioun lafen. Fir nach méi héich Amplituden sinn personaliséiert Ultraschall Sonotroden verfügbar.
Héchste Qualitéit – Designt a Made in Germany: All Ausrüstung ass entworf a fabrizéiert an eisem Sëtz an Däitschland. Virun der Liwwerung un de Client gëtt all Ultraschallapparat suergfälteg ënner voller Laascht getest. Mir striewen no Client Zefriddenheet an eis Produktioun ass strukturéiert fir héchst Qualitéitssécherung ze erfëllen (zB ISO Zertifizéierung).

D'Tabell hei drënner gëtt Iech eng Indikatioun vun der geschätzter Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschaller: