Ultrasone synthese van borofeen op industriële schaal
Borofeen, een tweedimensionaal nanogestructureerd derivaat van boor, kan efficiënt worden gesynthetiseerd via eenvoudige en goedkope ultrasone exfoliatie. Ultrasone exfoliatie in de vloeistoffase kan worden gebruikt om grote hoeveelheden hoogwaardige nanosheets van borofeen te produceren. De ultrasone exfoliatietechniek wordt veelvuldig gebruikt om 2D-nanomaterialen (bijv. grafeen) te produceren en staat bekend om haar voordelen: hoogwaardige nanosheets, hoge opbrengsten, snelle en eenvoudige uitvoering en algehele efficiëntie.
Ultrasone exfoliatiemethode voor de bereiding van borofeen
Ultrasoon aangedreven exfoliatie in de vloeistoffase wordt veelvuldig gebruikt om 2D-nanosheets te bereiden uit verschillende bulkprecursoren, waaronder grafiet (grafeen) en boor (borofeen). Vergeleken met de chemische exfoliatietechniek wordt ultrasoon ondersteunde exfoliatie in de vloeistoffase beschouwd als de veelbelovendere strategie voor de bereiding van 0D- en 2D-nanostructuren zoals boorkwantumdots (BQDs) en borofeen. (vgl. Wang et al., 2021)
Het schema links toont het proces van ultrasone exfoliatie in een vloeistof bij lage temperatuur van 2D-borofeensheets met enkele lagen. (Onderzoek en afbeelding: ©Lin et al., 2021.)
Sonochemische reactor uitgerust met een industriële ultrasone processor UIP2000hdT van 2000 watt voor grootschalige exfoliatie van borofeen.
Casestudies van ultrasone exfoliatie van borofeen
Exfoliatie en delaminatie met hoogvermogenultrageluid in een vloeistoffaseproces zijn uitgebreid onderzocht en met succes toegepast op borofeen en andere boorderivaten zoals boorkwantumdots, boornitride of magnesiumdiboride.
α-borofeen
In het onderzoek van Göktuna en Taşaltın (2021) werd α-borofeen bereid via eenvoudige en goedkope ultrasone exfoliatie. De ultrasoon gesynthetiseerde nanosheets van borofeen vertonen een kristalstructuur van α-borofeen.
Protocol: 100 mg boormicrodeeltjes werden gedurende 4h gesoniceerd in 100 ml DMF bij 200 W (bijv. met de UP200St met S26d14) in een cabine met een gecontroleerde stroom stikstof (N2) om oxidatie tijdens het ultrasone exfoliatieproces in de vloeistoffase te voorkomen. De oplossing met geëxfolieerde boordeeltjes werd bij respectievelijk 5000 rpm en 12.000 rpm gedurende 15 min gecentrifugeerd. Vervolgens werd het borofeen zorgvuldig verzameld en gedurende 4h bij 50ºC in een vacuümomgeving gedroogd. (vgl. Göktuna en Taşaltın, 2021)
Schematische weergave van borofeen met enkele lagen, geëxfolieerd door een solvothermisch behandelingsproces dat wordt ondersteund door ultrageluid van een sonde.
Onderzoek en afbeelding: ©Zhang et al., 2020
Borofeen met enkele lagen
Zhang et al. (2020) beschrijven een solvothermische exfoliatietechniek in de vloeistoffase met aceton, waarmee hoogwaardig borofeen met grote horizontale afmetingen kan worden geproduceerd. Gebruikmakend van het zwellende effect van aceton werd de precursor van boorpoeder eerst in aceton bevochtigd. Vervolgens werd de bevochtigde boorprecursor verder solvothermisch behandeld in aceton bij 200ºC, gevolgd door sonicatie met een sonicator met sonde bij 225 W gedurende 4h. Uiteindelijk werd borofeen verkregen met enkele boorlagen en een horizontale afmeting tot 5,05 mm. De door solvothermische behandeling met aceton ondersteunde exfoliatietechniek in de vloeistoffase kan worden gebruikt om hoogwaardige boornanosheets met grote horizontale afmetingen te bereiden. (vgl. Zhang et al., 2020)
Wanneer het XRD-patroon van het ultrasoon geëxfolieerde borofeen wordt vergeleken met dat van de bulkboorprecursor, kan een vergelijkbaar XRD-patroon worden waargenomen. De meeste belangrijke diffractiepieken kunnen worden geïndexeerd als behorend tot b-romboëdrisch boor, wat erop wijst dat de kristalstructuur vóór en na de exfoliatiebehandeling vrijwel behouden blijft.
SEM-beelden met lage resolutie (a) en hoge resolutie (b) van borofeen met enkele lagen, verkregen door ultrasoon ondersteunde solvothermische exfoliatie in aceton
Onderzoek en afbeelding: ©Zhang et al., 2020
XRD-patronen (a) en Raman-spectra (b) van onbehandeld bulkboor en borofeen met enkele lagen, verkregen door solvothermische exfoliatie ondersteund door ultrageluid van een sonde.
Onderzoek en afbeelding: ©Zhang et al., 2020
Sonochemische synthese van boorkwantumdots
Hao et al. (2020) bereidden met succes op grote schaal uniforme kristallijne halfgeleidende boorkwantumdots (BQDs) uit geëxpandeerd boorpoeder in acetonitril, een sterk polair organisch oplosmiddel, met een krachtige sonicator met sonde (bijv. UP400St, UIP500hdT of UIP1000hdT). De gesynthetiseerde boorkwantumdots hadden een laterale afmeting van 2,46 ±0,4 nm en een dikte van 2,81 ±0,5 nm.
Protocol: Bij een gebruikelijke bereiding van boorkwantumdots werd eerst 30 mg boorpoeder in een driehalskolf gebracht en werd vervolgens vóór de sonicatie 15 mL acetonitril aan de kolf toegevoegd. De exfoliatie werd uitgevoerd bij een uitgangsvermogen van 400 W (bijv. met de UIP500hdT), een frequentie van 20kHz en een sonicatieduur van 60 min. Om oververhitting van de oplossing tijdens de sonicatie te voorkomen, werd koeling met een ijsbad of laboratoriumkoeler toegepast om een constante temperatuur te handhaven. De verkregen oplossing werd gedurende 60 min bij 1500 rpm gecentrifugeerd. Het supernatant met de boorkwantumdots werd voorzichtig afgenomen. Alle experimenten werden bij kamertemperatuur uitgevoerd. (vgl. Hao et al., 2020)
In het onderzoek van Wang et al. (2021) bereidden de onderzoekers eveneens boorkwantumdots met de ultrasone exfoliatietechniek in de vloeistoffase. Ze verkregen monodisperse boorkwantumdots met een smalle grootteverdeling, uitstekende dispergeerbaarheid, hoge stabiliteit in een IPA-oplossing en fluorescentie aangeduid als ’two-photo’.
TEM-beelden en de bijbehorende diameterverdeling van de BQDs die onder verschillende ultrasone omstandigheden zijn bereid. (a) TEM-beeld van BQDs-2, gesynthetiseerd bij 400 W gedurende 2 h. (b) TEM-beeld van BQDs-3, gesynthetiseerd bij 550 W gedurende 1 h. (c) TEM-beeld van BQDs-3, gesynthetiseerd bij 400 W gedurende 4 h. (d) Diameterverdeling van de kwantumdots uit (a). (e) Diameterverdeling van de kwantumdots uit (b). (f) Diameterverdeling van de kwantumdots uit (c).
Onderzoek en afbeelding: ©Hao et al., 2020
Ultrasone exfoliatie van nanosheets van magnesiumdiboride
Het exfoliatieproces werd uitgevoerd door 450mg magnesiumdiboridepoeder
(MgB2) (circa 100 mesh / 149 micron) in 150 ml water te suspenderen en het gedurende 30 minuten aan sonicatie bloot te stellen. De ultrasone exfoliatie kan worden uitgevoerd met een sonicator met sonde, zoals de UP200Ht of UP400St met een amplitude van 30% en een cyclische modus met aan/uit-pulsen van 10sec. De ultrasone exfoliatie resulteert in een diepzwarte suspensie. De zwarte kleur kan worden toegeschreven aan de kleur van het oorspronkelijke MgB2-poeder.
Een met hoge snelheid opgenomen reeks beelden (van a tot f) die de sonomechanische exfoliatie van een grafietvlok in water illustreert met de UP200S, een sonicator van 200W met een sonotrode van 3mm. Pijlen geven de plaats van de splitsing (exfoliatie) aan, waarbij cavitatiebellen de spleet binnendringen.
© Tyurnina et al. 2020
Krachtige sonicatoren voor exfoliatie van borofeen op elke schaal
Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert robuuste en betrouwbare sonicatoren in alle formaten. Van compacte ultrasone laboratoriumapparaten tot industriële ultrasone sondes en reactoren: Hielscher heeft het ideale ultrasone systeem voor uw proces. Dankzij jarenlange ervaring met toepassingen zoals de synthese en dispersie van nanomaterialen adviseren onze goed opgeleide medewerkers u de meest geschikte configuratie voor uw vereisten. De industriële ultrasone processoren van Hielscher staan bekend als betrouwbare werkpaarden in industriële installaties. Doordat ze zeer hoge amplituden kunnen leveren, zijn sonicatoren van Hielscher ideaal voor toepassingen met hoge prestaties zoals exfoliatie van borofeen of grafeen en dispersies van nanomaterialen. Amplituden tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplituden zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar.
Alle sonicatoren en accessoires van Hielscher worden ontworpen en geproduceerd op de hoofdvestiging in Duitsland. Vóór levering aan de klant wordt elk ultrasoon apparaat zorgvuldig onder volledige belasting getest. We streven naar klanttevredenheid en onze productie is ingericht om aan de hoogste eisen voor kwaliteitsborging te voldoen (bijv. ISO-certificering).
- hoge efficiëntie
- de modernste technologie
- betrouwbaarheid & robuustheid
- batch & inline
- voor elk volume
- intelligente software
- slimme functies (bijv. gegevensregistratie)
- CIP (reiniging ter plaatse)
De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de verwerkingscapaciteit bij benadering van onze sonicatoren:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500mL | 10 tot 200mL/min | UP100H |
| 10 tot 2000mL | 20 tot 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 tot 20L | 0,2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10L/min | UIP4000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100L/min | UIP16000 |
| n.v.t. | hoger | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Stel ons uw vragen!
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties voor mengtoepassingen, dispersie, emulgering en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Wat is borofeen?
Borofeen is een kristallijne atomaire monolaag van boor, dat wil zeggen een tweedimensionale allotroop van boor (ook wel boornanosheet genoemd). De unieke fysische en chemische kenmerken maken borofeen tot een waardevol materiaal voor talrijke industriële toepassingen.
De uitzonderlijke fysische en chemische eigenschappen van borofeen omvatten unieke mechanische, thermische, elektronische, optische en supergeleidende aspecten.
Dit biedt mogelijkheden om borofeen te gebruiken voor toepassingen in alkalimetaalionbatterijen, Li-S-batterijen, waterstofopslag, supercondensatoren, zuurstofreductie en zuurstofontwikkeling, en de elektroreductiereactie van CO2. Er is bijzonder veel belangstelling voor borofeen als anodemateriaal voor batterijen en als materiaal voor waterstofopslag. Dankzij de hoge theoretische specifieke capaciteiten, elektronische geleidbaarheid en ionentransporteigenschappen is borofeen zeer geschikt als anodemateriaal voor batterijen. Door de hoge capaciteit voor adsorptie van waterstof aan borofeen biedt het een groot potentieel voor waterstofopslag – met een opslagcapaciteit van meer dan 15% van zijn gewicht.
Hoe wordt borofeen gebruikt voor waterstofopslag?
Tweedimensionale (2D) materialen op basis van boor krijgen veel aandacht als opslagmedia voor H2 vanwege de lage atoommassa van boor en de stabiliteit van de alkalimetalen die op het oppervlak zijn aangebracht en die de interacties met H2 versterken. Tweedimensionale nanosheets van borofeen, die eenvoudig kunnen worden gesynthetiseerd met ultrasone exfoliatie in de vloeistoffase zoals hierboven beschreven, hebben een goede affiniteit vertoond voor verschillende metaalatomen die op het oppervlak worden aangebracht, waarbij clustering van metaalatomen kan optreden. Met uiteenlopende op verschillende polymorfen van borofeen aangebrachte metalen, zoals Li, Na, Ca en Ti, zijn indrukwekkende gravimetrische dichtheden voor H2 verkregen, variërend van 6 tot 15 wt %, waarmee de eis van het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) voor opslag aan boord van 6,5wt% H2 wordt overschreden. (vgl. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics produceert ultrasone homogenisatoren met hoge prestaties voor toepassingen op een schaal van laboratoriumformaat tot industrieel formaat.