Ultrasone exfoliatie van xenes

Xenes zijn 2D-nanomaterialen die uit één element bestaan en buitengewone eigenschappen hebben, zoals een zeer groot oppervlak en anisotrope fysische / chemische eigenschappen, waaronder een superieur elektrisch geleidingsvermogen of een superieure treksterkte. Ultrasone exfoliatie of delaminatie is een efficiënte en betrouwbare techniek om enkellaagse 2D-nanoplaten te produceren uit gelaagde uitgangsmaterialen. Ultrasone exfoliatie is al een gevestigde techniek voor de productie van hoogwaardige nanoplaten van xenes op industriële schaal.

Xenes – Nanostructuren met één laag

Xenes zijn enkellaagse (2D) nanomaterialen die uit één element bestaan en worden gekenmerkt door een grafeenachtige structuur, covalente bindingen binnen de laag en zwakke van der Waals-krachten tussen de lagen. Voorbeelden van materialen die tot de klasse van xenes behoren, zijn borofeen, siliceen, germaneen, stanneen, fosforeen (zwarte fosfor), arseneen, bismuteen, tellureen en antimoneen. Door hun enkellaagse 2D-structuur worden nanomaterialen van xenes gekenmerkt door een zeer groot oppervlak en een verbeterde chemische en fysische reactiviteit. Deze structurele kenmerken geven nanomaterialen van xenes indrukwekkende fotonische, katalytische, magnetische en elektronische eigenschappen en maken deze nanostructuren zeer interessant voor talrijke industriële toepassingen. De afbeelding links toont SEM-beelden van ultrasoon geëxfolieerd borofeen.

Productie van nanomaterialen van xenes met ultrasone delaminatie

Exfoliatie van gelaagde nanomaterialen in vloeistof: Enkellaagse 2D-nanoplaten worden geproduceerd uit anorganische materialen met gelaagde structuren (bijv. grafiet), die bestaan uit los gestapelde gastheerlagen waarbij de ruimte tussen de lagen uitzet of zwelling optreedt bij de intercalatie van bepaalde ionen en/of oplosmiddelen. Exfoliatie, waarbij de gelaagde fase wordt gesplitst in nanoplaten, gaat doorgaans gepaard met zwelling doordat de elektrostatische aantrekkingskrachten tussen de lagen snel afnemen, waardoor colloïdale dispersies van de afzonderlijke 2D-lagen of -platen ontstaan. (vgl. Geng et al, 2013) Het is algemeen bekend dat zwelling exfoliatie door sonicatie vergemakkelijkt en resulteert in negatief geladen nanoplaten. Chemische voorbehandeling vergemakkelijkt eveneens exfoliatie door middel van sonicatie in oplosmiddelen. Functionalisatie maakt bijvoorbeeld de exfoliatie van gelaagde dubbele hydroxiden (LDH’s) in alcoholen mogelijk. (vgl. Nicolosi et al., 2013)
Voor ultrasone exfoliatie / delaminatie wordt het gelaagde materiaal in een oplosmiddel blootgesteld aan krachtige ultrasone golven. Wanneer ultrasone golven met een hoge energiedichtheid in een vloeistof of slurry worden gekoppeld, treedt akoestische, ook wel ultrasone, cavitatie op. Ultrasone cavitatie wordt gekenmerkt door het instorten van vacuümbellen. De ultrasone golven bewegen door de vloeistof en veroorzaken afwisselende lagedruk- / hogedrukcycli. De minuscule vacuümbellen ontstaan tijdens een lagedrukcyclus (verdunning) en groeien gedurende meerdere lagedruk- / hogedrukcycli. Wanneer een cavitatiebel het punt bereikt waarop deze geen verdere energie kan opnemen, implodeert de bel hevig en ontstaan lokaal omstandigheden met een zeer hoge energiedichtheid. Een cavitatiehotspot wordt gekenmerkt door zeer hoge drukken en temperaturen, de bijbehorende druk- en temperatuurverschillen, vloeistofstralen met hoge snelheid en afschuifkrachten. Deze sonomechanische en sonochemische krachten duwen het oplosmiddel tussen de gestapelde lagen en breken gelaagde deeltjesstructuren en kristallijne structuren op, waardoor geëxfolieerde nanoplaten ontstaan. De onderstaande beeldreeks demonstreert het exfoliatieproces door ultrasone cavitatie.

Een met hoge snelheid opgenomen beeldreeks (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 3 mm. De pijlen tonen de plaats van de splitsing (exfoliatie), waarbij cavitatiebellen de spleet 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 opnieuw geaggregeerde toestanden zeer klein zal zijn, waardoor de drijvende kracht voor heraggregatie wegvalt. Vergeleken met alternatieve roer- en afschuifmethoden boden ultrasone mengers een effectievere energiebron voor exfoliatie, wat leidde tot het aantonen van door ionenintercalatie ondersteunde exfoliatie van TaS₂, NbS₂ en MoS₂, evenals van gelaagde oxiden. (vgl. Nicolosi et al., 2013)

TEM-beelden van nanoplaten die ultrasoon in vloeistof zijn geëxfolieerd: (A) Een grafeennanoplaat die door middel van sonicatie in het oplosmiddel N-methyl-pyrrolidon is geëxfolieerd. (B) Een h-BN-nanoplaat die door middel van sonicatie in het oplosmiddel isopropanol is geëxfolieerd. (C) Een MoS2-nanoplaat die door middel van sonicatie in een waterige oplossing van een oppervlakteactieve stof is geëxfolieerd.
(Onderzoek en afbeeldingen: ©Nicolosi et al., 2013)

Protocollen voor ultrasone exfoliatie in vloeistof

Ultrasone exfoliatie en delaminatie van xenes en andere enkellaagse nanomaterialen zijn uitgebreid wetenschappelijk onderzocht en met succes overgebracht naar het stadium van industriële productie. Hieronder presenteren we een selectie van exfoliatieprotocollen met sonicatie.

Ultrasone exfoliatie van nanovlokken van fosforeen

Fosforeen (ook bekend als zwarte fosfor, BP) is een gelaagd 2D-materiaal dat uit één element bestaat en is opgebouwd uit fosforatomen.
In het onderzoek van Passaglia et al. (2018) wordt de bereiding aangetoond van stabiele suspensies van fosforeen – methylmethacrylaat door sonicatieondersteunde exfoliatie in de vloeistoffase (LPE) van bP in aanwezigheid van MMA, gevolgd door radicalaire polymerisatie. Methylmethacrylaat (MMA) is een vloeibaar monomeer.

Protocol voor ultrasone exfoliatie van fosforeen in vloeistof

Suspensies van MMA_bPn, NVP_bPn en Sty_bPn werden verkregen door LPE in aanwezigheid van uitsluitend het monomeer. Bij een gebruikelijke procedure werd ∼5 mg bP, zorgvuldig fijngemaakt in een vijzel, in een reageerbuis gebracht, waarna een afgewogen hoeveelheid MMA, Sty of NVP werd toegevoegd. De suspensie van bP in het monomeer werd gedurende 90 min gesoniceerd met een homogenisator UP200St van Hielscher Ultrasonics (200W, 26kHz), uitgerust met sonotrode S26d2 (tipdiameter: 2 mm). De ultrasone amplitude werd constant gehouden op 50% bij P = 7 W. In alle gevallen werd een ijsbad gebruikt voor een betere warmteafvoer. Vervolgens werd gedurende 15 min N2 in de uiteindelijke suspensies van MMA_bPn, NVP_bPn en Sty_bPn geblazen. Alle suspensies werden met DLS geanalyseerd en vertoonden rH-waarden die zeer dicht bij die van DMSO_bPn lagen. De MMA_bPn-suspensie (met een bP-gehalte van ongeveer 1%) werd bijvoorbeeld gekenmerkt door rH = 512 ± 58 nm.
Terwijl andere wetenschappelijke onderzoeken naar fosforeen sonicatietijden van meerdere uren met een ultrasoonreiniger, oplosmiddelen met een hoog kookpunt en een lage efficiëntie melden, demonstreert het onderzoeksteam van Passaglia een zeer efficiënt protocol voor ultrasone exfoliatie met een sonicator met sonde (namelijk de sonicator van Hielscher, model UP200St).

Ultrasone exfoliatie van enkellaagse nanoplaten

Volg de onderstaande links voor meer specifieke informatie en exfoliatieprotocollen voor nanoplaten van borofeen en rutheniumoxide:
Borofeen: Klik hier voor sonicatieprotocollen en resultaten van ultrasone exfoliatie van borofeen!
RuO2: Klik hier voor sonicatieprotocollen en resultaten van ultrasone exfoliatie van nanoplaten van rutheniumoxide!

Ultrasone exfoliatie van nanoplaten van silica met enkele lagen

Geëxfolieerde nanoplaten van silica met enkele lagen werden door ultrasone exfoliatie bereid uit natuurlijk vermiculiet (Verm). Voor de synthese van geëxfolieerde nanoplaten van silica werd de volgende exfoliatiemethode in de vloeistoffase toegepast: 40 mg nanoplaten van silica werd gedispergeerd in 40 mL absolute ethanol. Vervolgens werd het mengsel gedurende 2 h gesoniceerd met een Hielscher ultrasone processor UP200St, uitgerust met een sonotrode van 7 mm. De amplitude van de ultrasone golf werd constant gehouden op 70%. Er werd een ijsbad gebruikt om oververhitting te voorkomen. Niet-geëxfolieerde SN werden verwijderd door centrifugatie bij 1000 rpm gedurende 10 min. Ten slotte werd het product gedecanteerd en gedurende de nacht bij kamertemperatuur onder vacuüm gedroogd. (vgl. Guo et al., 2022)

Krachtige ultrasone sondes en reactoren voor de exfoliatie van nanoplaten van xenes

Hielscher Ultrasonics ontwerpt, produceert en distribueert robuuste en betrouwbare sonicatoren in elk formaat. 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 over de meest geschikte opstelling voor uw eisen. Industriële ultrasone processoren van Hielscher staan bekend als betrouwbare werkpaarden in industriële installaties. Omdat ze zeer hoge amplitudes kunnen leveren, zijn sonicatoren van Hielscher ideaal voor toepassingen met hoge prestaties zoals de synthese van xenes en andere enkellaagse 2D-nanomaterialen zoals borofeen, fosforeen of grafeen, evenals voor een betrouwbare dispersie van deze nanostructuren.
Buitengewoon krachtig ultrageluid: De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar.
Hoogste kwaliteit – Ontworpen en geproduceerd in Duitsland: Alle apparatuur wordt ontworpen en geproduceerd op ons hoofdkantoor in Duitsland. Vóór levering aan de klant wordt elk ultrasoon apparaat zorgvuldig getest onder volledige belasting. Wij streven naar klanttevredenheid en onze productie is ingericht om aan de hoogste eisen voor kwaliteitsborging te voldoen (bijv. ISO-certificering).

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren bij benadering: