Xenes ultraskaņas pīlings
Xenes ir 2D monoelementāri nanomateriāli ar neparastām īpašībām, piemēram, ļoti lielu virsmas laukumu, anizotropām fizikālām/ķīmiskām īpašībām, tostarp izcilu elektrovadītspēju vai stiepes izturību. Ultraskaņas pīlings vai delaminācija ir efektīva un uzticama metode, lai ražotu viena slāņa 2D nanolapas no slāņveida prekursoru materiāliem. Ultraskaņas pīlings jau ir izveidots augstas kvalitātes ksenes nanosheets ražošanai rūpnieciskā mērogā.
Ksenes – Vienslāņu nanostruktūras
Xenes ir monoslānis (2D), monoelementāri nanomateriāli, kuriem ir grafēnam līdzīga struktūra, starpslāņa kovalentā saite un vāji van der Vāla spēki starp slāņiem. Piemēri materiāliem, kas ietilpst ksenes klasē, ir borofēns, silicēns, germanēns, stanēns, fosforēns (melnais fosfors), arsēns, bismutēns un tellūrs un antimonēns. Pateicoties viena slāņa 2D struktūrai, ksenes nanomateriāli tiek charcterizēti ar ļoti lielu virsmu, kā arī uzlabotas ķīmiskās un fizikālās reaktivitātes. Šīs strukturālās īpašības piešķir ksēna nanomateriāliem iespaidīgas fotoniskās, katalītiskās, magnētiskās un elektroniskās īpašības un padara šīs nanostruktūras ļoti interesantas daudziem rūpnieciskiem lietojumiem. Kreisajā attēlā redzami SEM attēli ar ultrasoniski pīlinga borofēnu.

Reaktors ar 2000 vati ultrasonicator UIP2000hdT Xenes nanolapu liela mēroga pīlingam.
Xenes nanomateriālu ražošana, izmantojot ultraskaņas delamināciju
Daudzslāņu nanomateriālu šķidrā lobīšanās: Viena slāņa 2D nanolapas tiek ražotas no neorganiskiem materiāliem ar slāņainām struktūrām (piemēram, grafītu), kas sastāv no brīvi sakrautiem saimniekslāņiem, kuriem ir redzama slāņa-slāņa galerijas izplešanās vai pietūkums, saplūstot noteiktiem joniem un/vai šķīdinātājiem. Pīlings, kurā slāņainā fāze tiek sašķelta nanolapās, parasti pavada pietūkumu, jo starp slāņiem ir strauji novājinātas elektrostatiskās piesaistes, kas rada atsevišķu 2D slāņu vai lokšņu koloidālās dispersijas. (sal. ar Geng et al, 2013) Kopumā ir zināms, ka pietūkums atvieglo pīlingu, izmantojot ultrasonication un rada negatīvi uzlādētus nanosheets. Ķīmiskā pirmapstrāde arī atvieglo pīlingu, izmantojot ultraskaņu šķīdinātājos. Piemēram, funkcionalizācija ļauj slāņveida dubultos hidroksīdus (LDHs) lobīt spirtos. (sal. ar Nicolosi et al., 2013)
Ultraskaņas pīlingam / delaminācijai slāņainais materiāls ir pakļauts spēcīgiem ultraskaņas viļņiem šķīdinātājā. Kad enerģijas blīvi ultraskaņas viļņi tiek savienoti šķidrumā vai vircā, rodas akustiska aka ultraskaņas kavitācija. Ultraskaņas kavitāciju raksturo vakuuma burbuļu sabrukums. Ultraskaņas viļņi pārvietojas pa šķidrumu un rada mainīgus zema spiediena / augsta spiediena ciklus. Minūšu vakuuma burbuļi rodas zema spiediena (retināšanas) cikla laikā un aug dažādos zema spiediena / augsta spiediena ciklos. Kad kavitācijas burbulis sasniedz punktu, kurā tas nevar absorbēt papildu enerģiju, burbulis spēcīgi implodē un rada lokāli ļoti enerģētiski blīvus apstākļus. Kavitācijas karsto punktu nosaka ļoti augsts spiediens un temperatūra, attiecīgie spiedieni un temperatūras starpības, ātrgaitas šķidruma strūklas un bīdes spēki. Šie sonomehāniskie un sonoķīmiskie spēki nospiež šķīdinātāju starp sakrautajiem slāņiem un sadala slāņainas daļiņas un kristāliskas struktūras, tādējādi radot pīlinga nanolapas. Zemāk redzamā attēla secība parāda pīlinga procesu ar ultraskaņas kavitāciju.

Ātrdarbīga kadru secība (no a līdz f), kas ilustrē grafīta pārslas sono-mehānisko lobīšanos ūdenī, izmantojot UP200S, 200W ultrasonikators ar 3 mm sonotrode. Bultiņas parāda sadalīšanas (pīlinga) vietu ar kavitācijas burbuļiem, kas iekļūst sadalījumā.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Modelēšana ir parādījusi, ka, ja šķīdinātāja virsmas enerģija ir līdzīga slāņainā materiāla enerģijai, enerģijas starpība starp pīlinga un reagregētajiem stāvokļiem būs ļoti maza, novēršot virzītājspēku atkārtotai agregācijai. Salīdzinot ar alternatīvām maisīšanas un bīdes metodēm, ultraskaņas maisītāji nodrošināja efektīvāku enerģijas avotu pīlingam, kā rezultātā tika demonstrēta jonu interkalācija-TaS pīlings2, NbS2, un MoS2, kā arī slāņveida oksīdi. (sal. ar Nicolosi et al., 2013)

Ultrasoniski šķidru pīlinga nanolapu TEM attēli: (A) Grafēna nanolapa, kas pīlinga ar ultraskaņu šķīdinātājā N-metil-pirolidonā. (B) H-BN nanolapa, kas ar ultraskaņu nolobīta šķīdinātājā izopropanols. (C) MoS2 nanolapa, kas ar ultraskaņu nolobīta virsmaktīvās vielas ūdens šķīdumā.
(Pētījums un attēli: ©Nicolosi et al., 2013)
Ultraskaņas šķidruma pīlinga protokoli
Ksenes un citu monoslāņu nanomateriālu ultraskaņas pīlings un delaminācija ir plaši pētīta pētījumos un veiksmīgi pārnesta uz rūpnieciskās ražošanas posmu. Zemāk mēs iepazīstinām jūs ar izvēlētajiem pīlinga protokoliem, izmantojot ultraskaņu.
Fosforēna nanopārslu ultraskaņas pīlings
Fosforēns (pazīstams arī kā melnais fosfors, BP) ir 2D slāņains, monoelementārs materiāls, kas veidojas no fosfora atomiem.
(2018) pētījumā ir pierādīts, ka tiek sagatavotas stabilas fosforēna − metilmetakrilāta suspensijas, izmantojot ultraskaņas palīdzību šķidrās fāzes pīlings (LPE) MMA klātbūtnē, kam seko radikāla polimerizācija. Metilmetakrilāts (MMA) ir šķidrs monomērs.
Protokols fosforēna ultraskaņas šķidruma pīlingam
MMA_bPn, NVP_bPn un Sty_bPn suspensijas ieguva LPE vienīgā monomēra klātbūtnē. Tipiskā procedūrā ∼5 mg bP, kas rūpīgi sasmalcināts javā, tika ievietots mēģenē un pēc tam tika pievienots svērtais MMA, Sty vai NVP daudzums. Monomēra bP suspensija tika apstrādāta ar ultraskaņu 90 minūtes, izmantojot Hielscher Ultrasonics homogenizatoru UP200St (200W, 26kHz), kas aprīkots ar sonotrode S26d2 (gala diametrs: 2 mm). Ultraskaņas amplitūda tika uzturēta nemainīga 50% ar P = 7 W. Visos gadījumos siltuma izkliedes uzlabošanai tika izmantota ledus vanna. Pēdējās MMA_bPn, NVP_bPn un Sty_bPn balstiekārtas pēc tam 15 min tika apslāpētas ar N2. Visas suspensijas analizēja DLS, parādot rH vērtības, kas patiešām ir tuvu DMSO_bPn vērtībām. Piemēram, MMA_bPn suspensiju (kam ir aptuveni 1% bP satura) raksturoja rH = 512 ± 58 nm.
Lai gan citi zinātniskie pētījumi par fosforēnu ziņo par ultraskaņas laiku vairākas stundas, izmantojot ultraskaņas tīrītāju, augstas viršanas temperatūras šķīdinātājus un zemu efektivitāti, Passaglia pētnieku komanda demonstrē ļoti efektīvu ultraskaņas pīlinga protokolu, izmantojot zondes tipa ultrasonikatoru (proti, Hielscher ultrasonicator modelis UP200St).
Monoslāņa nanolapu ultraskaņas pīlings
Lai lasītu sīkāku informāciju un pīlinga protokolus par borofēna un rutēnija oksīda nanolapām, lūdzu, sekojiet zemāk esošajām saitēm:
Borophene: Lai iegūtu ultraskaņas protokolus un ultraskaņas borofēna pīlinga rezultātus, lūdzu, noklikšķiniet šeit!
RuO2: Lai iegūtu ultraskaņas protokolus un ultraskaņas rutēnija oksīda nanolapas pīlinga rezultātus, lūdzu, noklikšķiniet šeit!
Dažu slāņu silīcija dioksīda nanolapu ultraskaņas pīlings
Dažu slāņu pīlinga silīcija dioksīda nanolapas tika sagatavotas no dabīgā vermikulīta (Verm), izmantojot ultraskaņas pīlingu. Pīlinga silīcija dioksīda nanolapu sintēzei tika izmantota šāda šķidrās fāzes pīlinga metode: 40 mg silīcija dioksīda nanolapas tika disperģētas 40 ml absolūtā etanola. Pēc tam maisījums tika ultrasonicēts 2 stundas, izmantojot Hielscher ultraskaņas procesoru UP200St, kas aprīkots ar 7 mm sonotrode. Ultraskaņas viļņa amplitūda tika saglabāta nemainīga 70%. Lai izvairītos no pārkaršanas, tika uzklāta ledus vanna. Neeksfoliēto SN noņēma centrifugējot pie 1000 apgr./min 10 min. Visbeidzot, produkts tika dekantēts un žāvēts istabas temperatūrā vakuumā nakti. (sal. ar Guo et al., 2022)

Monoslāņu nanolapu ultraskaņas pīlings ar Ultrasonicator UP400St.

Ultraskaņas šķidruma pīlings ir ļoti efektīvs ksenes nanosheets ražošanai. Attēlā redzams 1000 vatu jaudīgais UIP1000hdT.
Lieljaudas ultraskaņas zondes un reaktori Xenes nanosheets pīlingam
Hielscher Ultrasonics projektē, ražo un izplata izturīgus un uzticamus ultrasonikatorus jebkurā izmērā. No kompaktām laboratorijas ultraskaņas ierīcēm līdz rūpnieciskām ultraskaņas zondēm un reaktoriem, Hielscher ir ideāla ultraskaņas sistēma jūsu procesam. Ar ilggadēju pieredzi tādos pielietojumos kā nanomateriālu sintēze un dispersija, mūsu labi apmācītie darbinieki ieteiks jums vispiemērotāko iestatījumu jūsu prasībām. Hielscher rūpnieciskie ultraskaņas procesori ir pazīstami kā uzticami darba zirgi rūpnieciskās iekārtās. Hielscher ultrasonikatori, kas spēj nodrošināt ļoti augstas amplitūdas, ir ideāli piemēroti augstas veiktspējas lietojumiem, piemēram, ksēnu un citu 2D monoslāņu nanomateriālu, piemēram, borofēna, fosforēna vai grafēna, sintēzei, kā arī uzticamai šo nanostruktūru izkliedēšanai.
Ārkārtīgi spēcīga ultraskaņa: Hielscher Ultrasonics’ Rūpnieciskie ultraskaņas procesori var nodrošināt ļoti augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200 μm var viegli nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes.
Augstākā kvalitāte – Izstrādāts un ražots Vācijā: Visas iekārtas ir projektētas un ražotas mūsu galvenajā mītnē Vācijā. Pirms piegādes klientam katra ultraskaņas ierīce tiek rūpīgi pārbaudīta ar pilnu slodzi. Mēs tiecamies uz klientu apmierinātību, un mūsu produkcija ir strukturēta tā, lai izpildītu visaugstāko kvalitātes nodrošināšanu (piemēram, ISO sertifikāciju).
Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:
Partijas apjoms | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
---|---|---|
1 līdz 500 ml | 10 līdz 200 ml/min | UP100H |
10 līdz 2000 ml | 20 līdz 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 līdz 20L | 02 līdz 4 l/min | UIP2000hdT |
10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
n.p. | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
n.p. | Lielāku | kopa UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Literatūra / Atsauces
- 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.
Fakti, kurus ir vērts zināt
fosforēns
Fosforēnam (arī melnā fosfora nanoshēmām / nanopārslām) piemīt augsta 1000 cm2 V–1 s–1 mobilitāte 5 nm biezam paraugam ar lielu strāvas ieslēgšanas/izslēgšanas attiecību 105. Kā p-tipa pusvadītājam fosforēnam ir tieša joslas sprauga 0, 3 eV. Turklāt fosforēnam ir tieša joslas sprauga, kas monoslānim palielinās līdz aptuveni 2 eV. Šīs materiāla īpašības padara melnā fosfora nanolapas par daudzsološu materiālu rūpnieciskiem lietojumiem nanoelektronikas un nanofotoniskās ierīcēs, kas aptver visu redzamā spektra diapazonu. (sk. Passaglia et al., 2018) Vēl viens potenciāls pielietojums ir biomedicīnas lietojumos, jo salīdzinoši zemā toksicitāte padara melnā fosfora izmantošanu ļoti pievilcīgu.
Divdimensiju materiālu klasē fosforēns bieži tiek novietots blakus grafēnam, jo, atšķirībā no grafēna, fosforēnam ir nezero fundamentāla joslas sprauga, ko turklāt var modulēt ar celmu un slāņu skaitu kaudzē.
Borofēns
Borofēns ir bora kristālisks atomu monoslānis, t.i., tas ir bora divdimensiju alotrops (saukts arī par bora nanolapu). Tās unikālās fizikālās un ķīmiskās īpašības pārvērš borofēnu par vērtīgu materiālu daudziem rūpnieciskiem lietojumiem.
Borophene izcilās fizikālās un ķīmiskās īpašības ietver unikālas mehāniskās, termiskās, elektroniskās, optiskās un supravadošās šķautnes.
Tas paver iespējas izmantot borofēnu lietojumiem sārmu metālu jonu akumulatoros, Li-S akumulatoros, ūdeņraža uzglabāšanā, superkondensatorā, skābekļa samazināšanā un evolūcijā, kā arī CO2 elektroredukcijas reakcijā. Īpaši liela interese ir par borofēnu kā anoda materiālu baterijām un kā ūdeņraža uzglabāšanas materiālu. Pateicoties augstajām teorētiskajām specifiskajām jaudām, elektroniskajai vadītspējai un jonu transportēšanas īpašībām, borofēns kvalificējas kā lielisks anoda materiāls baterijām. Pateicoties ūdeņraža augstajai adsorbcijas spējai uz borofēnu, tas piedāvā lielu ūdeņraža uzglabāšanas potenciālu – ar stroāžas jaudu, kas pārsniedz 15% no tā svara.
Lasiet vairāk par borofēna ultraskaņas sintēzi un dispersiju!

Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.