Ultradźwiękowe złuszczanie ksenów

Xeny to monoelementowe nanomateriały 2D o niezwykłych właściwościach, takich jak bardzo duża powierzchnia, anizotropowe właściwości fizyczne/chemiczne, w tym doskonałe przewodnictwo elektryczne i wytrzymałość na rozciąganie. Ultradźwiękowa eksfoliacja lub delaminacja jest wydajną i niezawodną techniką wytwarzania jednowarstwowych dwuwymiarowych nanoszkieletów z warstwowych materiałów prekursorowych. Eksfoliacja ultradźwiękowa jest już stosowana w produkcji wysokiej jakości nanoszkieletów ksenowych na skalę przemysłową.

Xenes – Nanostruktury monowarstwowe

Ultradźwiękowo złuszczony borofenKsenony to monowarstwowe (2D), jednoelementowe nanomateriały, które charakteryzują się strukturą podobną do grafenu, wewnątrzwarstwowymi wiązaniami kowalencyjnymi i słabymi siłami van der Waalsa między warstwami. Przykładami materiałów należących do klasy ksenów są: borofen, siliken, germanen, stanen, fosforen (czarny fosfor), arsen, bizmuten, telluryn i antymonen. Ze względu na jednowarstwową strukturę 2D nanomateriały ksenowe charakteryzują się bardzo dużą powierzchnią oraz zwiększoną reaktywnością chemiczną i fizyczną. Te cechy strukturalne nadają nanomateriałom ksenowym imponujące właściwości fotoniczne, katalityczne, magnetyczne i elektroniczne oraz czynią te nanostruktury bardzo interesującymi dla licznych zastosowań przemysłowych. Na zdjęciu po lewej stronie pokazano obrazy SEM ultradźwiękowo eksfoliowanego borofenu.

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Reaktor ultradźwiękowy do przemysłowej eksfoliacji nanoszkieletów 2D, takich jak ksen (np. borofen, siliken, germanen, stanen, fosforen (czarny fosfor), arsen, bizmuten, telluryn i antymonen).

Reaktor z Ultradźwiękowiec o mocy 2000 W UIP2000hdT do eksfoliacji nanoszkieletów ksenowych na dużą skalę.

Wytwarzanie nanomateriałów ksenowych z wykorzystaniem rozwarstwiania ultradźwiękowego

Płynna eksfoliacja nanomateriałów warstwowych: Jednowarstwowe dwuwymiarowe nanosieci wytwarza się z materiałów nieorganicznych o strukturze warstwowej (np. grafitu), które składają się z luźno ułożonych warstw żywicielskich, wykazujących rozszerzanie się lub pęcznienie galerii warstwa po warstwie pod wpływem interkalacji pewnych jonów i/lub rozpuszczalników. Pęcznieniu towarzyszy zwykle eksfoliacja, podczas której faza warstwowa rozpada się na nanosieci, co jest spowodowane gwałtownym osłabieniem elektrostatycznych oddziaływań między warstwami, w wyniku czego powstają koloidalne dyspersje poszczególnych warstw lub arkuszy 2D. (por. Geng i in., 2013) Ogólnie wiadomo, że pęcznienie ułatwia eksfoliację w wyniku działania ultradźwięków i prowadzi do powstania ujemnie naładowanych nanoszkieletów. Chemiczna obróbka wstępna również ułatwia eksfoliację za pomocą sonikacji w rozpuszczalnikach. Na przykład, funkcjonalizacja umożliwia eksfoliację podwójnych wodorotlenków warstwowych (LDH) w alkoholach. (por. Nicolosi i in., 2013)
Podczas ultradźwiękowego złuszczania/rozdzielania materiał warstwowy jest poddawany działaniu silnych fal ultradźwiękowych w rozpuszczalniku. Gdy fale ultradźwiękowe o dużej gęstości energii są sprzężone z cieczą lub zawiesiną, dochodzi do kawitacji akustycznej lub ultradźwiękowej. Kawitacja ultradźwiękowa charakteryzuje się zapadaniem się pęcherzyków próżniowych. Fale ultradźwiękowe przechodzą przez ciecz i generują naprzemienne cykle niskiego i wysokiego ciśnienia. Miniaturowe pęcherzyki podciśnienia powstają podczas cyklu niskiego ciśnienia (rarefakcji) i powiększają się w różnych cyklach niskiego i wysokiego ciśnienia. Gdy pęcherzyk kawitacyjny osiągnie punkt, w którym nie może już absorbować energii, imploduje gwałtownie, tworząc lokalnie bardzo gęste energetycznie warunki. Kawitacyjny punkt zapalny jest określany przez bardzo wysokie ciśnienia i temperatury, odpowiednie różnice ciśnień i temperatur, szybkie strumienie cieczy oraz siły ścinające. Te sonomechaniczne i sonochemiczne siły wpychają rozpuszczalnik pomiędzy ułożone warstwy i rozbijają warstwowe struktury cząsteczkowe i krystaliczne, tworząc w ten sposób złuszczone nanopowierzchnie. Poniższa sekwencja obrazów demonstruje proces eksfoliacji za pomocą kawitacji ultradźwiękowej.

Ultradźwiękowe złuszczanie grafenu w wodzie

Szybka sekwencja (od a do f) klatek ilustrująca sono-mechaniczne złuszczanie płatków grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, ultradźwiękowiec o mocy 200W z sonotrodą 3-mm. Strzałki pokazują miejsce rozszczepienia (eksfoliacji) z pęcherzykami kawitacyjnymi wnikającymi do wnętrza rozszczepienia.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelowanie wykazało, że jeśli energia powierzchniowa rozpuszczalnika jest podobna do energii powierzchniowej materiału warstwowego, różnica energii pomiędzy stanami eksfoliowanym i reagregowanym będzie bardzo mała, co wyeliminuje siłę napędową dla reagregacji. W porównaniu z alternatywnymi metodami mieszania i ścinania, mieszadła ultradźwiękowe zapewniają bardziej efektywne źródło energii dla eksfoliacji, co doprowadziło do wykazania wspomaganej interkalacją jonową eksfoliacji TaS2, NbS2i MoS2jak również tlenków warstwowych. (por. Nicolosi i in., 2013)

Ultradźwięki są wysoce wydajnym i niezawodnym narzędziem do płynnej eksfoliacji nanoszkieletów, takich jak grafen i ksen.

Obrazy TEM nanoszkieletów złuszczonych za pomocą cieczy ultradźwiękowej: (A) Nanarkusz grafenowy złuszczony za pomocą sonikacji w rozpuszczalniku N-metylopirolidon. (B) Nanarkusz h-BN złuszczony za pomocą sonikacji w rozpuszczalniku izopropanolowym. (C) Nanarkusz MoS2 złuszczony za pomocą sonikacji w wodnym roztworze środka powierzchniowo czynnego.
(Opracowanie i zdjęcia: ©Nicolosi et al., 2013)

Protokoły ultradźwiękowego złuszczania naskórka za pomocą cieczy

Ultradźwiękowe złuszczanie i rozwarstwianie ksenów i innych jednowarstwowych nanomateriałów było przedmiotem wielu badań naukowych i zostało z powodzeniem przeniesione na etap produkcji przemysłowej. Poniżej przedstawiamy wybrane protokoły eksfoliacji z wykorzystaniem sonikacji.

Ultradźwiękowa eksfoliacja nanopłatków fosforowych

Fosforowodór (znany również jako czarny fosfor, BP) to dwuwymiarowy, warstwowy, jednoelementowy materiał utworzony z atomów fosforu.
W badaniach Passaglia i wsp. (2018) przedstawiono otrzymywanie stabilnych zawiesin fosforenu - metakrylanu metylu poprzez wspomaganą sonikacją eksfoliację w fazie ciekłej (LPE) bP w obecności MMA, po której następuje polimeryzacja rodnikowa. Metakrylan metylu (MMA) jest ciekłym monomerem.

Protokół ultradźwiękowej eksfoliacji ciekłej fosforu

Zawiesiny MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn otrzymywano metodą LPE w obecności jedynego monomeru. W typowej procedurze ∼5 mg bP, starannie rozdrobnionego w moździerzu, umieszczano w probówce, a następnie dodawano odważoną ilość MMA, Sty lub NVP. Zawiesinę monomeru bP poddawano sonikacji przez 90 min za pomocą homogenizatora firmy Hielscher Ultrasonics. UP200St (200W, 26kHz), wyposażoną w sonotrodę S26d2 (średnica końcówki: 2 mm). Amplitudę ultradźwięków utrzymywano na stałym poziomie 50% przy P = 7 W. We wszystkich przypadkach stosowano łaźnię lodową w celu lepszego odprowadzania ciepła. Następnie końcowe zawiesiny MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn poddawano insuflacji N2 przez 15 min. Wszystkie zawiesiny analizowano metodą DLS, wykazując wartości rH zbliżone do wartości dla zawiesiny DMSO_bPn. Na przykład, zawiesina MMA_bPn (zawierająca ok. 1% bP) charakteryzowała się rH = 512 ± 58 nm.
Podczas gdy inne badania naukowe dotyczące fosforenu donoszą o kilkugodzinnym czasie sonikacji przy użyciu myjki ultradźwiękowej, rozpuszczalników o wysokiej temperaturze wrzenia i niskiej wydajności, zespół badawczy Passaglii demonstruje wysoce wydajny protokół eksfoliacji ultradźwiękowej przy użyciu ultradźwiękowego urządzenia typu sonda (tj, UP200St).

Ultradźwiękowe złuszczanie borophenu

Aby zapoznać się z protokołami sonikacji i wynikami ultradźwiękowej eksfoliacji boropenu, kliknij tutaj!

Ultradźwiękowe złuszczanie jednowarstwowych nanocząstek krzemionki

Obraz SEM nanoszkieletów krzemionkowych złuszczonych ultradźwiękami.Z naturalnego wermikulitu (Verm) otrzymano metodą eksfoliacji ultradźwiękowej mało warstwowe złuszczone nanosieci krzemionkowe (E-SN). Do syntezy złuszczonych nanoszkieletów krzemionkowych zastosowano następującą metodę eksfoliacji cieczowo-fazowej: 40 mg nanosieci krzemionkowych (SN) zdyspergowano w 40 mL etanolu absolutnego. Następnie mieszaninę poddawano działaniu ultradźwięków przez 2 h przy użyciu aparatu Hielschera. Ultradźwiękowy Procesor UP200St, wyposażoną w sonotrodę o średnicy 7 mm. Amplitudę fali ultradźwiękowej utrzymywano na stałym poziomie 70%. Aby uniknąć przegrzania, stosowano łaźnię lodową. Nierozfoliowany SN usuwano przez wirowanie przy 1000 obr/min przez 10 min. Na koniec produkt zdekantowano i suszono w temperaturze pokojowej w próżni przez noc. (por. Guo i in., 2022)

Ultradźwiękową eksfoliację dwuwymiarowych monowarstwowych nanosieci takich jak ksen (np. fosforenu, borofenu itp.) można skutecznie przeprowadzić za pomocą sonikacji sondą.

Ultradźwiękowa eksfoliacja monowarstwowych nanosiatek z ultrasonator UP400St.


Ultradźwiękowe ciekłe złuszczanie jednowarstwowych nanosiatek.

Ultradźwiękowa eksfoliacja cieczą jest bardzo skuteczna w wytwarzaniu nanosiatek ksenowych. Na zdjęciu pokazano urządzenie o mocy 1000 W. UIP1000hdT.

Zapytanie o informacje




Zwróć uwagę na nasze Polityka prywatności.


Sondy i reaktory ultradźwiękowe o dużej mocy do eksfoliacji nanosiatek ksenowych

Firma Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje solidne i niezawodne ultradźwiękowe urządzenia dowolnej wielkości. Od kompaktowych laboratoryjnych urządzeń ultradźwiękowych po przemysłowe sondy ultradźwiękowe i reaktory - Hielscher ma idealny system ultradźwiękowy dla Twojego procesu. Dzięki wieloletniemu doświadczeniu w takich zastosowaniach, jak synteza i dyspersja nanomateriałów, nasz dobrze wyszkolony personel poleci Ci najbardziej odpowiednią konfigurację dla Twoich wymagań. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher są znane jako niezawodne konie robocze w obiektach przemysłowych. Dzięki bardzo wysokim amplitudom ultradźwięki firmy Hielscher nadają się idealnie do wysokowydajnych zastosowań, takich jak synteza ksenów i innych jednowarstwowych nanomateriałów 2D, takich jak borofen, fosfor czy grafen, a także do niezawodnej dyspersji tych nanostruktur.
Wyjątkowo silne ultradźwięki: Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo duże amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością pracować w trybie ciągłym w trybie 24/7. Dla jeszcze większych amplitud dostępne są indywidualne sondy ultradźwiękowe.
Najwyższa jakość – Zaprojektowane i wykonane w Niemczech: Wszystkie urządzenia są projektowane i produkowane w naszej siedzibie w Niemczech. Przed dostawą do klienta każde urządzenie ultradźwiękowe jest dokładnie testowane pod pełnym obciążeniem. Dążymy do zadowolenia klienta, a nasza produkcja jest zorganizowana tak, aby spełniać najwyższe wymagania jakościowe (np. certyfikat ISO).

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators:

Wielkość partii natężenie przepływu Polecane urządzenia
1 do 500mL 10-200mL/min UP100H
10 do 2000mL 20-400mL/min UP200Ht, UP400St
0.1 do 20L 0.2 do 4L/min UIP2000hdT
10-100L 2 do 10L/min UIP4000hdT
b.d. 10-100L/min UIP16000
b.d. większe klaster UIP16000

Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!

Poproś o więcej informacji

Prosimy o skorzystanie z poniższego formularza w celu uzyskania dodatkowych informacji na temat procesorów ultradźwiękowych, zastosowań i ceny. Chętnie omówimy z Państwem proces i zaproponujemy Państwu system ultradźwiękowy spełniający Państwa wymagania!









Proszę zwrócić uwagę na nasze Polityka prywatności.


Ultradźwiękowe homogenizatory o wysokim ścinaniu są stosowane w laboratoriach, na stanowiskach badawczych, w procesach pilotażowych i przemysłowych.

Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe do zastosowań mieszania, dyspergowania, emulgowania i ekstrakcji na skalę laboratoryjną, pilotażową i przemysłową.



Literatura / materiały źródłowe

Fakty Warto wiedzieć

Fosforan

Nanopłatki fosforu (także nanosiatki/nanopłatki czarnego fosforu) wykazują wysoką ruchliwość 1000 cm2 V-1 s-1 dla próbki o grubości 5 nm przy wysokim stosunku prądu ON/OFF wynoszącym 105. Jako półprzewodnik typu p, fosforen posiada bezpośrednią przerwę pasmową o wartości 0,3 eV. Co więcej, bezpośrednia przerwa pasmowa w fosforenie wzrasta do około 2 eV dla monowarstwy. Te właściwości materiału czynią z nanosieci czarnego fosforu obiecujący materiał do zastosowań przemysłowych w urządzeniach nanoelektronicznych i nanofotonicznych, które pokrywają cały zakres widma widzialnego. (por. Passaglia et al., 2018) Innym potencjalnym zastosowaniem są aplikacje biomedyczne, ponieważ stosunkowo niska toksyczność czyni wykorzystanie czarnego fosforu bardzo atrakcyjnym.
W klasie materiałów dwuwymiarowych fosforyt jest często umieszczany obok grafenu, ponieważ w przeciwieństwie do grafenu fosforyt ma niezerową podstawową przerwę pasmową, która może być ponadto modulowana przez odkształcenie i liczbę warstw w stosie.

Borofen

Borofen jest krystaliczną, atomową monowarstwą boru, czyli dwuwymiarowym alotropem boru (zwanym również nanopowłoką boru). Jego unikalne właściwości fizyczne i chemiczne czynią z borofenu cenny materiał do licznych zastosowań przemysłowych.
Wyjątkowe właściwości fizyczne i chemiczne borophenu obejmują unikalne aspekty mechaniczne, termiczne, elektroniczne, optyczne i nadprzewodzące.
Otwiera to możliwości zastosowania borofenu w bateriach jonowych metali alkalicznych, bateriach Li-S, magazynowaniu wodoru, superkondensatorach, redukcji i ewolucji tlenu, jak również w reakcji elektroredukcji CO2. Szczególnie dużym zainteresowaniem cieszy się borofen jako materiał anodowy do akumulatorów oraz jako materiał do magazynowania wodoru. Ze względu na wysokie teoretyczne pojemności właściwe, przewodnictwo elektroniczne i właściwości transportu jonów, borofen kwalifikuje się jako doskonały materiał anodowy dla akumulatorów. Ze względu na wysoką zdolność adsorpcji wodoru na boropenie, oferuje on duży potencjał do magazynowania wodoru - z pojemnością magazynową ponad 15% swojej masy.
Dowiedz się więcej o ultradźwiękowej syntezie i dyspersji boropenu!


Ultradźwięki o wysokiej wydajności! Paleta produktów firmy Hielscher obejmuje pełne spektrum od kompaktowych ultradźwięków laboratoryjnych, poprzez urządzenia stołowe, aż po przemysłowe systemy ultradźwiękowe.

Firma Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do wielkość przemysłowa.