Xenen zijn 2D monoelementale nanomaterialen met buitengewone eigenschappen zoals een zeer hoog oppervlak, anisotrope fysische/chemische eigenschappen waaronder een superieur elektrisch geleidingsvermogen of treksterkte. Ultrasone exfoliatie of delaminatie is een efficiënte en betrouwbare techniek om eenlaagse 2D-nanosheets te produceren uit gelaagde precursormaterialen. Ultrasone exfoliatie is reeds ingeburgerd voor de productie van hoogwaardige xenes-nanosheets op industriële schaal.

Xenes – Monolaag Nanostructuren

Xenen zijn monolaag (2D), monoelementale nanomaterialen, met een grafeenachtige structuur, covalente binding binnen de lagen en zwakke van der Waals krachten tussen de lagen. Voorbeelden van materialen die tot de xenen-klasse behoren zijn borofeen, siliceen, germaneen, staneen, fosforeen (zwarte fosfor), arseen, bismuteen, en tellurene en antimoneen. Door hun eenlagige 2D-structuur worden xenennanomaterialen gekenmerkt door een zeer groot oppervlak en verbeterde chemische en fysische reactiviteiten. Deze structurele eigenschappen geven xenennanomaterialen indrukwekkende fotonische, katalytische, magnetische en elektronische eigenschappen en maken deze nanostructuren zeer interessant voor talrijke industriële toepassingen. De foto links toont SEM-beelden van ultrasoon geëxfolieerd borofeen.

Productie van Xenes nanomaterialen met behulp van ultrasone delaminatie

Vloeistof-exfoliatie van gelaagde nanomaterialen: Enkellaagse 2D nanosheets worden geproduceerd uit anorganische materialen met gelaagde structuren (b.v. grafiet) die bestaan uit losjes gestapelde gastheerlagen die laag-op-laag uitzetting of zwelling vertonen bij de intercalatie van bepaalde ionen en/of oplosmiddelen. Exfoliatie, waarbij de gelaagde fase wordt gesplitst in nanosheets, begeleidt meestal de zwelling als gevolg van de snel verzwakte elektrostatische attracties tussen de lagen die colloïdale dispersies van de individuele 2D lagen of sheets produceren. (cf. Geng et al, 2013) In het algemeen is bekend dat zwelling exfoliatie door ultrasoonbehandeling vergemakkelijkt en resulteert in negatief geladen nanosheets. Chemische voorbehandeling vergemakkelijkt ook de exfoliatie door middel van sonicatie in solventen. Bijvoorbeeld, functionalisering maakt de exfoliatie van gelaagde dubbele hydroxiden (LDHs) in alcoholen. (cf. Nicolosi et al., 2013)
Voor ultrasone exfoliatie / delaminatie wordt het gelaagde materiaal blootgesteld aan krachtige ultrasone golven in een oplosmiddel. Wanneer energiedichte ultrasone golven in een vloeistof of een slurry worden gekoppeld, treedt akoestische aka ultrasone cavitatie op. Ultrasone cavitatie wordt gekenmerkt door het ineenstorten van vacuümbellen. De ultrageluidsgolven reizen door de vloeistof en genereren afwisselend lage druk / hoge druk cycli. De minuscule vacuümbelletjes ontstaan tijdens een lagedrukcyclus (rarefactie) en groeien gedurende verschillende lagedruk/hogedrukcycli. Wanneer een cavitatiebel het punt bereikt waarop hij geen energie meer kan absorberen, implodeert de bel met geweld en creëert hij plaatselijk zeer energiedichte omstandigheden. Een cavitatie-hotspot wordt bepaald door zeer hoge drukken en temperaturen, respectieve druk- en temperatuurverschillen, zeer snelle vloeistofstralen, en afschuifkrachten. Deze sonomechanische en sonochemische krachten duwen het oplosmiddel tussen de gestapelde lagen en breken gelaagde deeltjes- en kristallijne structuren af waardoor geëxfolieerde nanosheets ontstaan. De onderstaande beeldsequentie toont het exfoliatieproces door ultrasone cavitatie aan.

Een reeks ultrasnelle beelden (van a tot f) ter illustratie van de sonomechanische afschilfering van een grafietschilfer in water met behulp van de UP200S, een 200W ultrasoon apparaat met een sonotrode van 3 mm. Pijlen tonen de plaats van splitsing (exfoliatie) met cavitatiebelletjes die in de spleet doordringen.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modellering heeft aangetoond dat als de oppervlakte-energie van het oplosmiddel is vergelijkbaar met die van de gelaagde materiaal, het energieverschil tussen de geëxfolieerd en gereaggregeerd staten zal zeer klein zijn, het verwijderen van de drijvende kracht voor re-aggregatie. In vergelijking met alternatieve roeren en afschuiven methoden, ultrasone roerwerken een meer effectieve energiebron voor exfoliatie, wat leidt tot de demonstratie van ion intercalatie-ondersteunde exfoliatie van TaS₂, NbS₂en MoS₂alsook gelaagde oxiden. (cf. Nicolosi et al., 2013)

TEM-beelden 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 oplossing van oppervlakteactieve stoffen.
(Studie en foto's: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultrasone vloeistof-exfoliatieprotocollen

Ultrasone exfoliatie en delaminatie van xen en andere monolaag nanomaterialen is uitgebreid bestudeerd in het onderzoek en is met succes overgebracht naar het industriële productiestadium. Hieronder presenteren wij u geselecteerde exfoliatieprotocollen met behulp van sonicatie.

Ultrasone afschilfering van fosforene nanoflakes

Fosfor (ook bekend als zwart 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 liquid-phase exfoliation (LPE) van bP in aanwezigheid van MMA gevolgd door radicale polymerisatie aangetoond. Methylmethacrylaat (MMA) is een vloeibaar monomeer.

Protocol voor ultrasone vloeistofexfoliatie van fosforen

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 vermalen 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 met behulp van een Hielscher Ultrasonics-homogenisator UP200St (200W, 26kHz), uitgerust met sonotrode S26d2 (puntdiameter: 2 mm), met ultrasone trillingen behandeld. 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 dicht bij die van DMSO_bPn lagen. Zo werd de MMA_bPn-suspensie (met ongeveer 1% bP-gehalte) gekenmerkt door rH = 512 ± 58 nm.
Terwijl andere wetenschappelijke studies over fosforene melding maken van een sonificatietijd van verscheidene uren waarbij ultrasone reiniger, oplosmiddelen met een hoog kookpunt en een lage efficiëntie worden gebruikt, toont het onderzoeksteam van Passaglia een zeer efficiënt ultrasoon exfoliatieprotocol aan waarbij gebruik wordt gemaakt van een ultrasoonapparaat van het sonde-type (namelijk de Hielscher ultrasoonapparaat model UP200St).

Ultrasone afschilfering van nanosheets met één laag

Voor meer specifieke details en exfoliatieprotocollen voor borofeen- en rutheniumoxide-nanosheets kunt u de onderstaande links volgen:
Borofeen: Voor sonicatieprotocols en resultaten van ultrasone borofeenexfoliatie, klik hier!
RuO2: Voor sonicatie protocollen en resultaten van ultrasone ruthenium oxide nanosheet exfoliatie, klik hier!

Ultrasone afschilfering van silica nanosheets bestaande uit enkele lagen

Uit natuurlijk vermiculiet (Verm) werden via ultrasone exfoliatie geëxfolieerde silicanananosheets met weinig lagen bereid. Voor de synthese van geëxfolieerde silicananosheets werd de volgende vloeibare-fase-exfoliatiemethode toegepast: 40 mg silicanosheets werden gedispergeerd in 40 mL absolute ethanol. Vervolgens werd het mengsel gedurende 2 uur ultrasoon behandeld met een Hielscher ultrasone processor UP200St, 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 bij kamertemperatuur onder vacuüm gedroogd. (cf. Guo et al., 2022)

Ultrasone sondes en reactoren met hoog vermogen voor de afschilfering van Xenes-nanosheets

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, fabriceert en distribueert robuuste en betrouwbare ultrasoonapparaten 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 nanomateriaal synthese en dispersie, zullen onze goed opgeleide medewerkers u de meest geschikte opstelling voor uw eisen adviseren. Hielscher industriële ultrasoonprocessoren staan bekend als betrouwbare werkpaarden in industriële installaties. Hielscher ultrasoon processoren, die zeer hoge amplitudes kunnen leveren, zijn ideaal voor hoogwaardige toepassingen zoals de synthese van xen en andere 2D monolaag nanomaterialen zoals borofeen, fosforene of grafeen, alsmede een betrouwbare dispersie van deze nanostructuren.
Buitengewoon krachtig ultrageluid: Hielscher Ultrasonics’ industriële ultrasone processoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200µm kunnen gemakkelijk continu worden uitgevoerd in 24 uur per dag, 7 dagen per week. Voor nog hogere amplitudes zijn aangepaste ultrasone sonotrodes beschikbaar.
Hoogste kwaliteit – Ontworpen en gemaakt in Duitsland: Alle apparatuur wordt ontworpen en vervaardigd in ons hoofdkwartier in Duitsland. Vóór levering aan de klant wordt elk ultrasoon apparaat zorgvuldig getest onder volledige belasting. Wij streven naar klanttevredenheid en onze productie is zodanig gestructureerd dat wordt voldaan aan de hoogste kwaliteitswaarborging (bijv. ISO-certificering).

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: