Borofēna sintēze ar ultraskaņu rūpnieciskā mērogā
Borofēnu – divdimensionālu nanostrukturētu bora atvasinājumu – var efektīvi sintezēt, izmantojot vienkāršu un lētu eksfoliāciju ar ultraskaņu. Eksfoliāciju šķidrajā fāzē ar ultraskaņu var izmantot, lai iegūtu lielu daudzumu augstas kvalitātes borofēna nanolokšņu. Eksfoliācijas metodi ar ultraskaņu plaši izmanto 2D nanomateriālu (piemēram, grafēna) iegūšanai, un tā ir labi pazīstama ar tādām priekšrocībām kā augstas kvalitātes nanoloksnes, augsts iznākums, ātra un vienkārša darbība, kā arī kopējā efektivitāte.
Eksfoliācijas metode ar ultraskaņu borofēna iegūšanai
Ultraskaņas ierosinātu eksfoliāciju šķidrajā fāzē plaši izmanto 2D nanolokšņu iegūšanai no dažādiem tilpuma izejmateriāliem, tostarp grafīta (grafēna iegūšanai) un bora (borofēna iegūšanai). Salīdzinājumā ar ķīmiskās eksfoliācijas metodi eksfoliāciju šķidrajā fāzē ar ultraskaņas palīdzību uzskata par perspektīvāku stratēģiju 0D un 2D nanostruktūru, piemēram, bora kvantu punktu (BQDs) un borofēna, iegūšanai. (sk. Wang et al., 2021)
Shēmā pa kreisi parādīts 2D borofēna lokšņu ar dažiem slāņiem eksfoliācijas process šķidrumā ar ultraskaņu zemā temperatūrā. (Pētījums un attēls: ©Lin et al., 2021.)
Sonoķīmiskais reaktors, kas aprīkots ar 2000 vatu rūpniecisko ultraskaņas procesoru UIP2000hdT borofēna eksfoliācijai lielā mērogā.
Borofēna eksfoliācijas ar ultraskaņu pētījumu piemēri
Eksfoliācija un slāņu atdalīšana, izmantojot lieljaudas ultraskaņu procesā šķidrajā fāzē, ir plaši pētīta un veiksmīgi izmantota borofēnam un citiem bora atvasinājumiem, piemēram, bora kvantu punktiem, bora nitrīdam vai magnija diborīdam.
α-borofēns
Göktuna un Taşaltın (2021) veiktajā pētījumā α-borofēns tika iegūts, izmantojot vienkāršu un lētu eksfoliāciju ar ultraskaņu. Ar ultraskaņu sintezētajām borofēna nanoloksnēm ir α-borofēna kristāliskā struktūra.
Protokols: 100 mg bora mikrodaļiņu 100 ml DMF tika apstrādātas ar ultraskaņu pie 200 W jaudas (piemēram, izmantojot UP200St ar S26d14) 4h kabīnē ar kontrolētu slāpekļa (N2) plūsmu, lai novērstu oksidēšanos eksfoliācijas procesā šķidrajā fāzē ar ultraskaņu. Eksfoliēto bora daļiņu šķīdums tika centrifugēts pie 5000 rpm un 12 000 rpm, katrā gadījumā 15 min, pēc tam borofēns tika rūpīgi savākts un žāvēts vakuumā 4h pie 50ºC. (sk. Göktuna un Taşaltın, 2021)
Shematisks attēls, kurā parādīts borofēns ar dažiem slāņiem, kas eksfoliēts solvotermiskās apstrādes procesā ar ultraskaņas zondes palīdzību.
Pētījums un attēls: ©Zhang et al., 2020
Borofēns ar dažiem slāņiem
Zhang et al. (2020) apraksta solvotermiskās eksfoliācijas metodi šķidrajā fāzē acetonā, kas ļauj iegūt augstas kvalitātes borofēnu ar lielu horizontālo izmēru. Izmantojot acetona uzbriedinošo iedarbību, bora pulvera izejmateriāls vispirms tika samitrināts acetonā. Pēc tam samitrinātais bora izejmateriāls tika papildus solvotermiski apstrādāts acetonā pie 200ºC, kam sekoja apstrāde ar zondes tipa ultraskaņas ierīci pie 225 W jaudas 4h. Rezultātā tika iegūts borofēns ar dažiem bora slāņiem un horizontālo izmēru līdz 5,05 mm. Eksfoliācijas metodi šķidrajā fāzē ar solvotermiskās apstrādes palīdzību acetonā var izmantot augstas kvalitātes bora nanolokšņu ar lieliem horizontālajiem izmēriem iegūšanai. (sk. Zhang et al., 2020)
Salīdzinot ar ultraskaņu eksfoliētā borofēna rentgendifrakcijas (XRD) ainu ar bora tilpuma izejmateriāla XRD ainu, var novērot līdzīgu XRD ainu. Lielāko daļu galveno difrakcijas maksimumu var indeksēt kā b-romboedriskā bora maksimumus, kas liecina, ka kristāliskā struktūra pirms un pēc eksfoliācijas apstrādes ir gandrīz saglabājusies.
Ar ultraskaņas palīdzību veiktā solvotermiskā eksfoliācijā acetonā iegūta borofēna ar dažiem slāņiem SEM attēli ar zemu izšķirtspēju (a) un augstu izšķirtspēju (b)
Pētījums un attēls: ©Zhang et al., 2020
Neapstrādāta tilpuma bora un ar ultraskaņas zondes palīdzību veiktā solvotermiskā eksfoliācijā iegūta borofēna ar dažiem slāņiem XRD ainas (a) un Ramana spektri (b).
Pētījums un attēls: ©Zhang et al., 2020
Bora kvantu punktu sonoķīmiskā sintēze
Hao et al. (2020) no ekspandēta bora pulvera acetonitrilā, ļoti polārā organiskā šķīdinātājā, veiksmīgi ieguva lielos daudzumos viendabīgus kristāliskus pusvadītāju bora kvantu punktus (BQDs), izmantojot jaudīgu zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīci (piem., UP400St, UIP500hdT vai UIP1000hdT). Sintezēto bora kvantu punktu laterālais izmērs bija 2,46 ±0,4 nm un biezums – 2,81 ±0,5 nm.
Protokols: tipiskā bora kvantu punktu iegūšanas procesā trīskaklu kolbā vispirms ievietoja 30 mg bora pulvera un pēc tam pirms apstrādes ar ultraskaņu kolbā pievienoja 15 mL acetonitrila. Eksfoliāciju veica ar 400 W izejas jaudu (piem., izmantojot UIP500hdT), 20kHz frekvenci un 60 min ilgu apstrādi ar ultraskaņu. Lai novērstu šķīduma pārkaršanu apstrādes ar ultraskaņu laikā, nemainīgas temperatūras uzturēšanai izmantoja dzesēšanu ledus vannā vai ar laboratorijas dzesētāju. Iegūto šķīdumu centrifugēja ar 1500 rpm 60 min. Supernatantu, kas saturēja bora kvantu punktus, uzmanīgi atdalīja. Visus eksperimentus veica istabas temperatūrā. (sal. Hao et al., 2020)
Arī Wang et al. (2021) pētījumā pētnieki ieguva bora kvantu punktus, izmantojot ultraskaņas eksfoliācijas metodi šķidrajā fāzē. Viņi ieguva monodispersus bora kvantu punktus ar šauru izmēru sadalījumu, izcilu disperģējamību, augstu stabilitāti IPA šķīdumā un divfoto fluorescenci.
Dažādos ultraskaņas apstrādes apstākļos iegūto BQDs TEM attēli un atbilstošais diametru sadalījums. (a) BQDs-2 TEM attēls; tie sintezēti ar 400 W jaudu 2 h. (b) BQDs-3 TEM attēls; tie sintezēti ar 550 W jaudu 1 h. (c) BQDs-3 TEM attēls; tie sintezēti ar 400 W jaudu 4 h. (d) Attēlā (a) redzamo kvantu punktu diametru sadalījums. (e) Attēlā (b) redzamo kvantu punktu diametru sadalījums. (f) Attēlā (c) redzamo kvantu punktu diametru sadalījums.
Pētījums un attēls: ©Hao et al., 2020
Magnija diborīda nanoplāksnīšu eksfoliācija ar ultraskaņu
Eksfoliācijas procesā 450mg magnija diborīda
(MgB2) pulvera (aptuvenais sieta izmērs: 100 mesh / 149 mikroni) suspendēja 150 ml ūdens un 30 minūtes apstrādāja ar ultraskaņu. Ultraskaņas eksfoliāciju var veikt ar zondes tipa ultraskaņas apstrādes ierīci, piemēram, UP200Ht vai UP400St ar 30% amplitūdu un ciklisku darbības režīmu ar 10sec ieslēgšanas/izslēgšanas impulsiem. Ultraskaņas eksfoliācijas rezultātā rodas tumši melna suspensija. Melno krāsu var skaidrot ar sākotnējā MgB2 pulvera krāsu.
Ātrdarbīgā uzņemšanā iegūta kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sonomehānisko eksfoliāciju ūdenī, izmantojot 200W ultraskaņas apstrādes ierīci UP200S ar 3mm sonotrodi. Bultas norāda šķelšanās (eksfoliācijas) vietu, kur šķēlumā iespiežas kavitācijas burbuļi.
© Tyurnina et al. 2020
Jaudīgas ultraskaņas apstrādes ierīces borofēna eksfoliācijai jebkurā mērogā
Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata izturīgas un uzticamas jebkura izmēra ultraskaņas apstrādes ierīces. No kompaktām laboratorijas ultraskaņas ierīcēm līdz rūpnieciskām ultraskaņas zondēm un reaktoriem – Hielscher piedāvā ideālu ultraskaņas sistēmu jūsu procesam. Pateicoties ilggadējai pieredzei tādos lietojumos kā nanomateriālu sintēze un disperģēšana, mūsu labi apmācītie darbinieki ieteiks jūsu prasībām vispiemērotāko aprīkojuma konfigurāciju. Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori ražotnēs ir pazīstami kā uzticami darba zirgi. Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces spēj nodrošināt ļoti augstas amplitūdas, tāpēc tās ir ideāli piemērotas augstas veiktspējas lietojumiem, piemēram, borofēna vai grafēna eksfoliācijai, kā arī nanomateriālu disperģēšanai. Amplitūdas līdz pat 200µm var viegli uzturēt nepārtrauktā 24/7 darbības režīmā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejamas individuāli pielāgotas ultraskaņas sonotrodes.
Visas Hielscher ultraskaņas apstrādes ierīces un piederumi tiek projektēti un ražoti galvenajā mītnē Vācijā. Pirms piegādes klientam katra ultraskaņas ierīce tiek rūpīgi pārbaudīta ar pilnu slodzi. Mēs tiecamies nodrošināt klientu apmierinātību, un mūsu ražošana ir organizēta tā, lai izpildītu visaugstākās kvalitātes nodrošināšanas prasības (piem., ISO sertifikācija).
- augsta efektivitāte
- vismodernākā tehnoloģija
- uzticamība un izturība
- apstrāde partijās un plūsmā
- jebkuram tilpumam
- inteliģenta programmatūra
- viedās funkcijas (piem., datu protokolēšana)
- CIP (tīrīšana uz vietas)
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās iekārtas |
|---|---|---|
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| nav piemērojams | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| nav piemērojams | lielāks | savstarpēji apvienotas iekārtas UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus sajaukšanai, disperģēšanai, emulģēšanai un ekstrakcijai laboratorijas, pilotiekārtu un rūpnieciskā mērogā.
Literatūra / Atsauces
- 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.
Noderīgi fakti
Kas ir borofēns?
Borofēns ir kristālisks bora atomu monoslānis, t. i., tas ir divdimensionāls bora alotrops (saukts arī par bora nanoloksni). Tā unikālās fizikālās un ķīmiskās īpašības padara borofēnu par vērtīgu materiālu daudziem rūpnieciskiem lietojumiem.
Borofēna izcilās fizikālās un ķīmiskās īpašības ietver unikālas mehāniskās, termiskās, elektroniskās, optiskās un supravadītspējas īpašības.
Tas paver iespējas izmantot borofēnu sārmu metālu jonu akumulatoros, Li-S akumulatoros, ūdeņraža uzglabāšanā, superkondensatoros, skābekļa reducēšanā un izdalīšanā, kā arī CO2 elektroreducēšanas reakcijā. Īpaši liela interese ir par borofēnu kā akumulatoru anoda materiālu un ūdeņraža uzglabāšanas materiālu. Pateicoties augstajām teorētiskajām īpatnējām ietilpībām, elektronvadītspējai un jonu transporta īpašībām, borofēns ir lielisks akumulatoru anoda materiāls. Pateicoties borofēna augstajai ūdeņraža adsorbcijas spējai, tam ir liels potenciāls ūdeņraža uzglabāšanā – tā uzglabāšanas ietilpība pārsniedz 15% no paša materiāla masas.
Kā borofēnu izmanto ūdeņraža uzglabāšanai?
Divdimensionāliem (2D) bora bāzes materiāliem tiek pievērsta liela uzmanība kā H2 uzglabāšanas materiāliem bora mazās atommasas un virsmu modificējošo sārmu metālu stabilitātes dēļ, kas pastiprina mijiedarbību ar H2. Divdimensionālām borofēna nanoloksnēm, kuras var viegli sintezēt ar iepriekš aprakstīto ultraskaņas eksfoliāciju šķidrajā fāzē, ir konstatēta laba afinitāte pret dažādiem virsmu modificējošiem metālu atomiem, kuri var veidot metālu atomu klasterus. Izmantojot dažādus metālus, piemēram, Li, Na, Ca un Ti, dažādu borofēna polimorfu virsmu modificēšanai, ir iegūti iespaidīgi H2 gravimetriskie blīvumi diapazonā no 6 līdz 15 wt %, pārsniedzot ASV Enerģētikas departamenta (DOE) prasību par 6,5wt% H2 uzglabāšanu transportlīdzeklī. (sal. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no laboratorijas mēroga iekārtām līdz rūpnieciska mēroga iekārtām.