Ultradźwiękowa synteza borofenu na skalę przemysłową
Borofen, dwuwymiarową nanostrukturalną pochodną boru, można skutecznie syntetyzować za pomocą prostej i niedrogiej eksfoliacji ultradźwiękowej. Ultradźwiękowa eksfoliacja w fazie ciekłej może być stosowana do wytwarzania dużych ilości wysokiej jakości nanopłatków borofenu. Technika eksfoliacji ultradźwiękowej jest szeroko stosowana do wytwarzania nanomateriałów 2D (np. grafenu) i jest dobrze znana z takich zalet jak wysoka jakość nanopłatków, wysoka wydajność, szybki i prosty przebieg procesu oraz ogólna efektywność.
Metoda eksfoliacji ultradźwiękowej do otrzymywania borofenu
Eksfoliacja w fazie ciekłej wywoływana ultradźwiękami jest szeroko stosowana do otrzymywania nanopłatków 2D z różnych prekursorów w postaci materiałów objętościowych, w tym między innymi grafitu (grafen) i boru (borofen). W porównaniu z techniką eksfoliacji chemicznej eksfoliacja w fazie ciekłej wspomagana ultradźwiękami jest uważana za bardziej obiecującą strategię otrzymywania nanostruktur 0D i 2D, takich jak borowe kropki kwantowe (BQDs) i borofen. (por. Wang i in., 2021)
Schemat po lewej przedstawia proces niskotemperaturowej eksfoliacji ultradźwiękowej w fazie ciekłej, prowadzący do otrzymania kilkowarstwowych płatków borofenu 2D. (Badanie i ilustracja: ©Lin i in., 2021.)
Reaktor sonochemiczny wyposażony w przemysłowy procesor ultradźwiękowy UIP2000hdT o mocy 2000 watów do eksfoliacji borofenu na dużą skalę.
Studia przypadków eksfoliacji ultradźwiękowej borofenu
Eksfoliacja i delaminacja z wykorzystaniem ultradźwięków dużej mocy w procesie prowadzonym w fazie ciekłej zostały szeroko zbadane i z powodzeniem zastosowane do borofenu oraz innych pochodnych boru, takich jak borowe kropki kwantowe, azotek boru czy diborek magnezu.
α-borofen
W badaniu przeprowadzonym przez Göktuna i Taşaltın (2021) α-borofen otrzymano za pomocą prostej i niedrogiej eksfoliacji ultradźwiękowej. Nanopłatki borofenu zsyntetyzowane ultradźwiękowo wykazują strukturę krystaliczną α-borofenu.
Procedura: 100 mg mikrocząstek boru poddawano sonikacji w 100 ml DMF przy mocy 200 W (np. przy użyciu UP200St z S26d14) przez 4h w kabinie z kontrolowanym przepływem azotu (N2), aby zapobiec utlenianiu podczas procesu eksfoliacji ultradźwiękowej w fazie ciekłej. Roztwór zawierający eksfoliowane cząstki boru odwirowywano przy 5000 rpm i 12 000 rpm, każdorazowo przez 15 min, a następnie ostrożnie zbierano borofen i suszono go w próżni przez 4h w temperaturze 50ºC. (por. Göktuna i Taşaltın, 2021)
Schematyczna ilustracja kilkowarstwowego borofenu eksfoliowanego w procesie obróbki solwotermalnej wspomaganej ultradźwiękami emitowanymi przez sonotrodę.
Badanie i ilustracja: ©Zhang i in., 2020
Borofen kilkowarstwowy
Zhang i in. (2020) opisują technikę eksfoliacji w fazie ciekłej wspomaganej obróbką solwotermalną w acetonie, która umożliwia wytwarzanie wysokiej jakości borofenu o dużym wymiarze w płaszczyźnie. Wykorzystując efekt pęcznienia wywoływany przez aceton, prekursor w postaci proszku borowego najpierw zwilżono acetonem. Następnie zwilżony prekursor borowy poddano dalszej obróbce solwotermalnej w acetonie w temperaturze 200ºC, po czym przeprowadzono sonikację za pomocą sonikatora z sonotrodą przy mocy 225 W przez 4h. Ostatecznie otrzymano borofen zawierający kilka warstw boru i mający wymiar w płaszczyźnie do 5,05 mm. Technika eksfoliacji w fazie ciekłej wspomaganej obróbką solwotermalną w acetonie może być stosowana do otrzymywania wysokiej jakości nanopłatków boru o dużych wymiarach w płaszczyźnie. (por. Zhang i in., 2020)
Porównanie dyfraktogramu XRD borofenu eksfoliowanego ultradźwiękowo z dyfraktogramem prekursora w postaci boru objętościowego pozwala zaobserwować podobieństwo obu dyfraktogramów XRD. Większość głównych pików dyfrakcyjnych można przypisać borowi b-romboedrycznemu, co sugeruje, że struktura krystaliczna pozostaje niemal niezmieniona przed obróbką eksfoliacyjną i po niej.
Obrazy SEM o niskiej rozdzielczości (a) i wysokiej rozdzielczości (b) kilkowarstwowego borofenu otrzymanego za pomocą eksfoliacji solwotermalnej w acetonie wspomaganej ultradźwiękami
Badanie i ilustracja: ©Zhang i in., 2020
Dyfraktogramy XRD (a) i widma Ramana (b) niepoddanego obróbce boru objętościowego oraz kilkowarstwowego borofenu otrzymanego za pomocą eksfoliacji solwotermalnej wspomaganej ultradźwiękami emitowanymi przez sonotrodę.
Badanie i ilustracja: ©Zhang i in., 2020
Sonochemiczna synteza borowych kropek kwantowych
Hao i in. (2020) z powodzeniem otrzymali na dużą skalę jednorodne krystaliczne półprzewodnikowe borowe kropki kwantowe (BQDs) z ekspandowanego proszku borowego w acetonitrylu, silnie polarnym rozpuszczalniku organicznym, przy użyciu sonikatora z sonotrodą o dużej mocy (np. UP400St, UIP500hdT lub UIP1000hdT). Zsyntetyzowane borowe kropki kwantowe miały wymiar w płaszczyźnie 2,46 ±0,4 nm i grubość 2,81 ±0,5 nm.
Procedura: Podczas typowego otrzymywania borowych kropek kwantowych najpierw umieszczano 30 mg proszku borowego w kolbie trójszyjnej, a następnie przed procesem sonikacji dodawano do naczynia 15 mL acetonitrylu. Eksfoliację przeprowadzano przy mocy wyjściowej 400 W (np. przy użyciu UIP500hdT), częstotliwości 20kHz i czasie sonikacji 60 min. Aby uniknąć przegrzania roztworu podczas sonikacji, stosowano chłodzenie w łaźni lodowej lub za pomocą chłodziarki laboratoryjnej w celu utrzymania stałej temperatury. Otrzymany roztwór odwirowywano przy 1500 rpm przez 60 min. Ostrożnie pobierano supernatant zawierający borowe kropki kwantowe. Wszystkie doświadczenia prowadzono w temperaturze pokojowej. (por. Hao i in., 2020)
W badaniu Wang i in. (2021) badacze również otrzymali borowe kropki kwantowe za pomocą techniki eksfoliacji ultradźwiękowej w fazie ciekłej. Uzyskali monodyspersyjne borowe kropki kwantowe o wąskim rozkładzie wielkości, doskonałej dyspergowalności, wysokiej stabilności w roztworze IPA oraz fluorescencji określanej jako „two-photo”.
Obrazy TEM i odpowiadający im rozkład średnic BQDs otrzymanych w różnych warunkach sonikacji. (a) Obraz TEM BQDs-2 zsyntetyzowanych przy 400 W przez 2 h. (b) Obraz TEM BQDs-3 zsyntetyzowanych przy 550 W przez 1 h. (c) Obraz TEM BQDs-3 zsyntetyzowanych przy 400 W przez 4 h. (d) Rozkład średnic kropek kwantowych przedstawionych na (a). (e) Rozkład średnic kropek kwantowych przedstawionych na (b). (f) Rozkład średnic kropek kwantowych przedstawionych na (c).
Badanie i ilustracja: ©Hao i in., 2020
Eksfoliacja ultradźwiękowa nanopłatków diborku magnezu
Proces eksfoliacji przeprowadzono, tworząc zawiesinę 450mg proszku diborku magnezu
(MgB2) (o przybliżonej wielkości 100 mesh / 149 mikrometrów) w 150 ml wody i poddając ją sonikacji przez 30 minut. Eksfoliację ultradźwiękową można przeprowadzić za pomocą sonikatora z sonotrodą, takiego jak UP200Ht lub UP400St, przy amplitudzie 30% i w trybie cyklicznym z impulsami włączenia/wyłączenia trwającymi 10sec. Eksfoliacja ultradźwiękowa prowadzi do powstania intensywnie czarnej zawiesiny. Czarną barwę można przypisać barwie pierwotnego proszku MgB2.
Sekwencja klatek zarejestrowana z dużą szybkością (od a do f), ilustrująca sonomechaniczną eksfoliację płatka grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, sonikatora o mocy 200W z sonotrodą 3mm. Strzałki wskazują miejsce rozszczepienia (eksfoliacji), do którego wnikają pęcherzyki kawitacyjne.
© Tyurnina i in. 2020
Sonikatory o dużej mocy do eksfoliacji borofenu w dowolnej skali
Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje solidne i niezawodne sonikatory o dowolnej wielkości. Od kompaktowych laboratoryjnych urządzeń ultradźwiękowych po przemysłowe sonotrody i reaktory – Hielscher oferuje idealny system ultradźwiękowy do Twojego procesu. Dzięki wieloletniemu doświadczeniu w zastosowaniach takich jak synteza i dyspergowanie nanomateriałów nasi dobrze przeszkoleni pracownicy polecą konfigurację najlepiej dopasowaną do Twoich wymagań. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher są znane jako niezawodne urządzenia do intensywnej pracy w zakładach przemysłowych. Sonikatory Hielscher, zdolne do zapewniania bardzo wysokich amplitud, idealnie nadają się do zastosowań wymagających wysokiej wydajności, takich jak eksfoliacja borofenu lub grafenu oraz dyspergowanie nanomateriałów. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w pracy ciągłej w trybie 24/7. Do jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie.
Wszystkie urządzenia są projektowane i produkowane w naszej siedzibie w Niemczech. Przed dostawą do klienta każde urządzenie ultradźwiękowe jest starannie testowane pod pełnym obciążeniem. Dążymy do zadowolenia klientów, a nasza produkcja jest zorganizowana tak, aby zapewniać najwyższy poziom zapewnienia jakości (np. certyfikację ISO).
- wysoka efektywność
- najnowocześniejsza technologia
- niezawodność i solidność
- praca okresowa i w linii
- do dowolnej objętości
- inteligentne oprogramowanie
- inteligentne funkcje (np. rejestrowanie danych)
- CIP (czyszczenie na miejscu)
Poniższa tabela przedstawia orientacyjną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| od 1 do 500mL | od 10 do 200mL/min | UP100H |
| od 10 do 2000mL | od 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| od 0,1 do 20L | od 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| od 10 do 100L | od 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| nie dotyczy | od 10 do 100L/min | UIP16000 |
| nie dotyczy | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji w skali laboratoryjnej, pilotażowej i przemysłowej.
Literatura / Źródła
- 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.
Warto wiedzieć
Borofen
Borofen jest krystaliczną monowarstwą atomową boru, czyli dwuwymiarową odmianą alotropową boru (nazywaną również nanopłatkiem boru). Jego unikalne cechy fizyczne i chemiczne sprawiają, że borofen jest cennym materiałem w licznych zastosowaniach przemysłowych.
Wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne borofenu obejmują unikalne właściwości mechaniczne, termiczne, elektronowe, optyczne i nadprzewodzące.
Otwiera to możliwości zastosowania borofenu w akumulatorach wykorzystujących jony metali alkalicznych, akumulatorach Li-S, magazynowaniu wodoru, superkondensatorach, redukcji i wydzielaniu tlenu, a także w reakcji elektroredukcji CO2. Szczególnie duże zainteresowanie budzi borofen jako materiał anodowy do akumulatorów oraz materiał do magazynowania wodoru. Dzięki wysokim teoretycznym pojemnościom właściwym, przewodnictwu elektronowemu i właściwościom transportu jonów borofen jest doskonałym materiałem anodowym do akumulatorów. Dzięki wysokiej zdolności adsorpcji wodoru na borofenie oferuje on duży potencjał w zakresie magazynowania wodoru – z pojemnością magazynowania przekraczającą 15% jego masy.
Borofen do magazynowania wodoru
Dwuwymiarowe (2D) materiały na bazie boru cieszą się dużym zainteresowaniem jako materiały do magazynowania H2 ze względu na niską masę atomową boru oraz stabilność metali alkalicznych osadzanych na powierzchni, które wzmacniają oddziaływania z H2. Dwuwymiarowe nanopłatki borofenu, które można łatwo syntetyzować za pomocą opisanej powyżej eksfoliacji ultradźwiękowej w fazie ciekłej, wykazują dobre powinowactwo do różnych atomów metali osadzanych na ich powierzchni, przy czym może dochodzić do tworzenia skupisk atomów metali. Stosując różne metale do dekorowania powierzchni różnych odmian polimorficznych borofenu, takie jak Li, Na, Ca i Ti, uzyskano imponujące grawimetryczne gęstości magazynowania H2 w zakresie od 6 do 15 wt %, przekraczające wymóg Departamentu Energii USA (DOE) dotyczący magazynowania na pokładzie pojazdów, wynoszący 6,5wt% H2. (por. Habibi i in., 2021)
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe o wielkości od laboratoryjnej do przemysłowej.