Ultrasone afschilfering van Xenen

Xenen zijn 2D mono-elementaire nanomaterialen met buitengewone eigenschappen zoals een zeer hoog oppervlak, anisotrope fysische/chemische eigenschappen waaronder superieure elektrische geleidbaarheid of treksterkte. Ultrasone exfoliatie of delaminatie is een efficiënte en betrouwbare techniek om enkellaags 2D nanosheets te produceren van gelaagde precursormaterialen. Ultrasone exfoliatie is al een gevestigde techniek voor de productie van hoogwaardige xenonanosheets op industriële schaal.

xenes – Monolaag nanostructuren

Xenen zijn monolaag (2D), mono-elementaire nanomaterialen met een grafeenachtige structuur, intra-laag covalente binding en zwakke van der Waals krachten tussen de lagen. Voorbeelden van materialen die deel uitmaken van de xeenklasse zijn borofeen, siliceen, germaneen, staneen, fosforeen (zwarte fosfor), arseen, bismuteen, tellurene en antimooneen. Door hun enkellaagse 2D-structuur worden xeennanomaterialen gekenmerkt door een zeer groot oppervlak en een verbeterde chemische en fysische reactiviteit. Deze structurele eigenschappen geven xenennanomaterialen indrukwekkende fotonische, katalytische, magnetische en elektronische eigenschappen en maken deze nanostructuren zeer interessant voor talloze industriële toepassingen. De afbeelding links toont SEM-afbeeldingen van ultrasoon geëxfolieerd borofeen.

Productie van Xenes nanomaterialen met behulp van ultrasone delaminatie

Vloeibare afschilfering van gelaagde nanomaterialen: Eenlaagse 2D-nanosheets worden geproduceerd uit anorganische materialen met gelaagde structuren (bv. grafiet) die bestaan uit losjes op elkaar gestapelde gastheerlagen die laag-op-laag galerijuitzetting of zwelling vertonen bij de intercalatie van bepaalde ionen en/of oplosmiddelen. Exfoliatie, waarbij de gelaagde fase wordt gesplitst in nanosheets, gaat meestal gepaard met de zwelling als gevolg van de snel verzwakte elektrostatische aantrekkingskracht tussen de lagen die colloïdale dispersies van de individuele 2D-lagen of -vellen produceert. (cf. Geng et al, 2013) Over het algemeen is bekend dat zwelling exfoliatie vergemakkelijkt door middel van ultrasoonbehandeling en resulteert in negatief geladen nanosheets. Chemische voorbehandeling vergemakkelijkt ook exfoliatie door middel van sonicatie in oplosmiddelen. Functionalisatie maakt bijvoorbeeld exfoliatie van gelaagde dubbele hydroxiden (LDH's) in alcoholen mogelijk. (Zie Nicolosi et al., 2013)
Voor ultrasone exfoliatie / delaminatie wordt het gelaagde materiaal blootgesteld aan krachtige ultrasone golven in een oplosmiddel. Wanneer energie-intensieve ultrasone golven worden gekoppeld in een vloeistof of slurry, ontstaat akoestische aka ultrasone cavitatie. Ultrasone cavitatie wordt gekenmerkt door het instorten van vacuümbellen. De ultrasone golven reizen door de vloeistof en genereren afwisselend lage druk / hoge druk cycli. De minuscule vacuümbelletjes ontstaan tijdens een lagedrukcyclus (rarefactie) en groeien tijdens verschillende lagedruk-/ hogedrukcycli. Wanneer een cavitatiebel het punt bereikt waarop het geen energie meer kan absorberen, implodeert de bel heftig en creëert plaatselijk zeer energiedichte omstandigheden. Een cavitatiehaard wordt bepaald door zeer hoge druk en temperatuur, respectieve druk- en temperatuurverschillen, vloeistofstralen met hoge snelheid en schuifkrachten. Deze sonomechanische en sonochemische krachten duwen het oplosmiddel tussen de gestapelde lagen en breken gelaagde deeltjes- en kristalstructuren af waardoor geëxfolieerde nanosheets ontstaan. De onderstaande afbeelding toont het exfoliatieproces door ultrasone cavitatie.

Een reeks beelden op hoge snelheid (van a tot f) ter illustratie van de sonomexfoliatie van een grafietschilfer in water met behulp van de UP200S, een ultrasoonapparaat van 200 W met een sonotrode van 3 mm. Pijlen tonen de plaats van splitsing (exfoliatie) met cavitatiebellen die de splitsing binnendringen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modellering heeft aangetoond dat als de oppervlakte-energie van het oplosmiddel vergelijkbaar is met die van het gelaagde materiaal, het energieverschil tussen de geëxfolieerde en gereaggregeerde toestand zeer klein zal zijn, waardoor de drijvende kracht voor re-aggregatie wegvalt. In vergelijking met alternatieve roer- en schuifmethoden leverden ultrasone roerders een effectievere energiebron voor exfoliatie, wat leidde tot de demonstratie van ionenintercalatie-ondersteunde exfoliatie van TaS₂NbS₂en MoS₂evenals gelaagde oxiden. (vgl. Nicolosi et al., 2013)

TEM-afbeeldingen van ultrasoon vloeibaar geëxfolieerde nanosheets: (A) Een grafeen-nanosheet geëxfolieerd door middel van sonicatie in het oplosmiddel N-methyl-pyrrolidon. (B) Een h-BN nanosheet geëxfolieerd door middel van sonicatie in het oplosmiddel isopropanol. (C) Een MoS2 nanosheet geëxfolieerd door middel van sonicatie in een waterige oppervlakte-actieve oplossing.
(Studie en foto's: ©Nicolosi et al., 2013)

Protocollen voor ultrasone vloeistof-afschilfering

Ultrasone exfoliatie en delaminatie van xenen en andere nanomaterialen met één laag is uitgebreid bestudeerd in onderzoek en is met succes overgebracht naar de industriële productiefase. Hieronder presenteren we geselecteerde exfoliatieprotocollen met behulp van sonicatie.

Ultrasone afschilfering van fosforene nanoflakes

Fosforene (ook bekend als zwarte fosfor, BP) is een 2D gelaagd, mono-elementair materiaal gevormd uit fosforatomen.
In het onderzoek van Passaglia et al. (2018) wordt de bereiding van stabiele suspensies van fosforene - methylmethacrylaat door sonicatie-geassisteerde vloeibare-fase-exfoliatie (LPE) van bP in de aanwezigheid van MMA gevolgd door radicale polymerisatie aangetoond. Methylmethacrylaat (MMA) is een vloeibaar monomeer.

Protocol voor ultrasone vloeistofafschilfering van fosforene

MMA_bPn-, NVP_bPn- en Sty_bPn-suspensies werden verkregen door LPE in aanwezigheid van het enige monomeer. In een typische procedure werd ∼5 mg bP, zorgvuldig fijngemaakt in een mortier, in een reageerbuis gedaan en vervolgens werd een gewogen hoeveelheid MMA, Sty of NVP toegevoegd. De monomeer bP-suspensie werd gedurende 90 minuten gesoneerd met behulp van een Hielscher Ultrasonics-homogenisator UP200St (200 W, 26 kHz), uitgerust met sonotrode S26d2 (tipdiameter: 2 mm). De ultrasone amplitude werd constant gehouden op 50% met P = 7 W. In alle gevallen werd een ijsbad gebruikt voor een betere warmteafvoer. De uiteindelijke MMA_bPn-, NVP_bPn- en Sty_bPn-suspensies werden vervolgens gedurende 15 minuten met N2 geïnsuffleerd. Alle suspensies werden geanalyseerd met DLS, waarbij de rH-waarden heel dicht bij die van DMSO_bPn lagen. Bijvoorbeeld, de MMA_bPn suspensie (met ongeveer 1% bP inhoud) werd gekenmerkt door rH = 512 ± 58 nm.
Terwijl andere wetenschappelijke studies over fosforene melding maken van een sonificatietijd van enkele uren waarbij ultrasone reinigingsmiddelen, oplosmiddelen met een hoog kookpunt en een lage efficiëntie worden gebruikt, demonstreert het onderzoeksteam van Passaglia een zeer efficiënt ultrasoon exfoliatieprotocol waarbij gebruik wordt gemaakt van een ultrasoonapparaat van het probe-type (namelijk de Hielscher ultrasoonapparaat model UP200St).

Ultrasone afschilfering van nanosheets met één laag

Volg de onderstaande links voor meer specifieke details en exfoliatieprotocollen voor borofeen- en rutheniumoxide-nanosheets:
Borofeen: Klik hier voor sonicatieprotocollen en resultaten van ultrasone borofeenexfoliatie!
RuO2: Klik hier voor sonicatieprotocollen en resultaten van ultrasone rutheniumoxide nanosheet exfoliatie!

Ultrasone afschilfering van silicananosheets met weinig lagen

Enkellaags geëxfolieerde silicananosheets werden bereid uit natuurlijk vermiculiet (Verm) via ultrasone exfoliatie. Voor de synthese van geëxfolieerde silicananosheets werd de volgende vloeibare-fase-exfoliatiemethode toegepast: 40 mg silicananosheets werden gedispergeerd in 40 mL absolute ethanol. Vervolgens werd het mengsel gedurende 2 uur ultrasoon behandeld met een Hielscher UP200St ultrasone processor, uitgerust met een 7 mm sonotrode. De amplitude van de ultrasone golf werd constant gehouden op 70%. Er werd een ijsbad aangebracht om oververhitting te voorkomen. Niet-gefolieerde SN werden verwijderd door centrifugeren bij 1000 rpm gedurende 10 minuten. Ten slotte werd het product gedecanteerd en een nacht onder vacuüm bij kamertemperatuur gedroogd. (cf. Guo et al., 2022)

Ultrasone sondes en reactoren met hoog vermogen voor afbladdering van xenennanosheets

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert robuuste en betrouwbare ultrasone systemen van elk formaat. Van compacte ultrasone apparaten voor laboratoria tot industriële ultrasone sondes en reactoren, Hielscher heeft het ideale ultrasone systeem voor uw proces. Met jarenlange ervaring in toepassingen zoals nanomaterialensynthese en -dispersie, zal ons goed opgeleide personeel u de meest geschikte opstelling aanbevelen voor uw vereisten. Hielscher industriële ultrasoonprocessoren staan bekend als betrouwbare werkpaarden in industriële faciliteiten. Hielscher ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren en zijn daarom ideaal voor hoogwaardige toepassingen zoals de synthese van xenen en andere 2D monolaag nanomaterialen zoals borofeen, fosfor of grafeen en een betrouwbare dispersie van deze nanostructuren.
Buitengewoon krachtig ultrageluid: Hielscher Ultrasonics’ Industriële ultrasone processors kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes verkrijgbaar.
Hoogste kwaliteit – Ontworpen en gemaakt in Duitsland: Alle apparatuur wordt ontworpen en geproduceerd in ons hoofdkantoor in Duitsland. Voor levering aan de klant wordt elk ultrasoon apparaat zorgvuldig getest onder volledige belasting. We streven naar klanttevredenheid en onze productie is gestructureerd om te voldoen aan de hoogste kwaliteitsgarantie (bijv. ISO-certificering).

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: