Ultradźwiękowe złuszczanie ksenonów

Xeny to monoelementowe nanomateriały 2D o niezwykłych właściwościach, takich jak bardzo duża powierzchnia, anizotropowe właściwości fizyczne / chemiczne, w tym doskonałe przewodnictwo elektryczne lub wytrzymałość na rozciąganie. Ultradźwiękowe złuszczanie lub rozwarstwianie jest skuteczną i niezawodną techniką wytwarzania jednowarstwowych nanosheetów 2D z warstwowych materiałów prekursorowych. Eksfoliacja ultradźwiękowa jest już ugruntowana w produkcji wysokiej jakości nanosheets ksenowych na skalę przemysłową.

ksenony – Nanostruktury jednowarstwowe

Kseneny to jednowarstwowe (2D), monoelementowe 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), arsenen, bizmuten, telluren i antymonen. Ze względu na swoją jednowarstwową strukturę 2D, nanomateriały ksenowe charakteryzują się bardzo dużą powierzchnią, a także lepszą reaktywnością chemiczną i fizyczną. Te cechy strukturalne nadają nanomateriałom ksenowym imponujące właściwości fotoniczne, katalityczne, magnetyczne i elektroniczne i sprawiają, że nanostruktury te są bardzo interesujące dla wielu zastosowań przemysłowych. Zdjęcie po lewej pokazuje obrazy SEM ultradźwiękowo złuszczonego borofenu.

Produkcja nanomateriałów Xenes przy użyciu delaminacji ultradźwiękowej

Płynne złuszczanie warstwowych nanomateriałów: Jednowarstwowe nanosiatki 2D są wytwarzane z materiałów nieorganicznych o strukturze warstwowej (np. grafitu), które składają się z luźno ułożonych warstw gospodarza, które wykazują ekspansję między warstwami lub pęcznienie po interkalacji niektórych jonów i/lub rozpuszczalników. Eksfoliacja, w której faza warstwowa jest rozszczepiana na nanoarkusze, zwykle towarzyszy pęcznieniu z powodu gwałtownie osłabionego przyciągania elektrostatycznego między warstwami, które wytwarza koloidalne dyspersje poszczególnych warstw lub arkuszy 2D. (por. Geng i in., 2013) Ogólnie wiadomo, że pęcznienie ułatwia eksfoliację poprzez ultradźwięki i powoduje ujemnie naładowane nanosheets. Wstępna obróbka chemiczna ułatwia również złuszczanie za pomocą sonikacji w rozpuszczalnikach. Na przykład funkcjonalizacja umożliwia eksfoliację warstwowych podwójnych wodorotlenków (LDH) w alkoholach. (por. Nicolosi et al., 2013)
W przypadku złuszczania / rozwarstwiania ultradźwiękowego materiał warstwowy jest wystawiony na działanie silnych fal ultradźwiękowych w rozpuszczalniku. Gdy fale ultradźwiękowe o dużej gęstości energii są sprzężone z cieczą lub zawiesiną, występuje kawitacja akustyczna lub ultradźwiękowa. Kawitacja ultradźwiękowa charakteryzuje się zapadaniem się pęcherzyków próżniowych. Fale ultradźwiękowe przemieszczają się przez ciecz i generują naprzemienne cykle niskiego ciśnienia / wysokiego ciśnienia. Drobne pęcherzyki próżniowe powstają podczas cyklu niskiego ciśnienia (rozrzedzenia) i rosną w różnych cyklach niskiego / wysokiego ciśnienia. Gdy pęcherzyk kawitacyjny osiągnie punkt, w którym nie może absorbować dalszej energii, imploduje gwałtownie i tworzy lokalnie bardzo gęste energetycznie warunki. Kawitacyjny hot-spot jest określany przez bardzo wysokie ciśnienie i temperaturę, odpowiednie różnice ciśnień i temperatur, szybkie strumienie cieczy i siły ścinające. Te sonomechaniczne i sonochemiczne siły przepychają rozpuszczalnik pomiędzy ułożonymi warstwami i rozbijają warstwowe struktury cząsteczkowe i krystaliczne, tworząc w ten sposób złuszczone nanosheets. Poniższa sekwencja obrazów przedstawia proces eksfoliacji za pomocą kawitacji ultradźwiękowej.

Sekwencja klatek z dużą prędkością (od a do f) ilustrująca sonomechaniczne złuszczanie płatka grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, ultrasonograf o mocy 200 W z sonotrodą 3 mm. Strzałki pokazują miejsce rozszczepienia (złuszczania) z pęcherzykami kawitacyjnymi penetrującymi rozszczepienie.
© 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 między stanem eksfoliacji i ponownej agregacji będzie bardzo mała, usuwając siłę napędową do ponownej agregacji. W porównaniu z alternatywnymi metodami mieszania i ścinania, mieszadła ultradźwiękowe zapewniły bardziej efektywne źródło energii do eksfoliacji, co doprowadziło do wykazania wspomaganej interkalacją jonową eksfoliacji TaS₂, NbS₂i MoS₂jak również warstwowe tlenki. (por. Nicolosi et al., 2013)

Obrazy TEM ultradźwiękowo ciekłych złuszczonych nanoarkuszy: (A) Nanoarkusz grafenu złuszczony za pomocą sonikacji w rozpuszczalniku N-metylopirolidon. (B) Nanoarkusz h-BN złuszczony za pomocą sonikacji w rozpuszczalniku izopropanolu. (C) Nanopowłoka MoS2 złuszczona za pomocą sonikacji w wodnym roztworze środka powierzchniowo czynnego.
(Opracowanie i zdjęcia: ©Nicolosi et al., 2013)

Protokoły ultradźwiękowej eksfoliacji płynem

Ultradźwiękowe złuszczanie i rozwarstwianie ksenów i innych jednowarstwowych nanomateriałów było szeroko badane w badaniach i zostało z powodzeniem przeniesione na etap produkcji przemysłowej. Poniżej przedstawiamy wybrane protokoły eksfoliacji za pomocą sonikacji.

Ultradźwiękowe złuszczanie nanopłatków fosforowych

Fosforen (znany również jako czarny fosfor, BP) to dwuwymiarowy, warstwowy, monoelementowy materiał utworzony z atomów fosforu.
W badaniach Passaglia et al. (2018) wykazano przygotowanie stabilnych zawiesin fosforenu - metakrylanu metylu poprzez wspomaganą sonikacją eksfoliację w fazie ciekłej (LPE) bP w obecności MMA, a następnie polimeryzację rodnikową. Metakrylan metylu (MMA) jest ciekłym monomerem.

Protokół ultradźwiękowej ciekłej eksfoliacji fosforenu

Zawiesiny MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn otrzymano 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 poddano działaniu ultradźwięków przez 90 minut przy użyciu homogenizatora Hielscher Ultrasonics UP200St (200 W, 26 kHz), wyposażonego w sonotrodę S26d2 (średnica końcówki: 2 mm). Amplituda ultradźwięków była utrzymywana na stałym poziomie 50% przy P = 7 W. We wszystkich przypadkach zastosowano kąpiel lodową w celu lepszego rozpraszania ciepła. Końcowe zawiesiny MMA_bPn, NVP_bPn i Sty_bPn były następnie wdmuchiwane za pomocą N2 przez 15 minut. Wszystkie zawiesiny zostały przeanalizowane za pomocą DLS, wykazując wartości rH bardzo zbliżone do wartości DMSO_bPn. Na przykład, zawiesina MMA_bPn (zawierająca około 1% bP) charakteryzowała się rH = 512 ± 58 nm.
Podczas gdy inne badania naukowe nad fosforenem donoszą o kilkugodzinnym czasie sonikacji przy użyciu myjki ultradźwiękowej, rozpuszczalników o wysokiej temperaturze wrzenia i niskiej wydajności, zespół badawczy Passaglia demonstruje wysoce wydajny protokół eksfoliacji ultradźwiękowej przy użyciu ultrasonografu typu sonda (a mianowicie Ultradźwiękowiec firmy Hielscher model UP200St).

Ultradźwiękowe złuszczanie jednowarstwowych nanosheets

Aby zapoznać się z bardziej szczegółowymi informacjami i protokołami eksfoliacji nanosieci borofenu i tlenku rutenu, skorzystaj z poniższych linków:
Borofen: Aby zapoznać się z protokołami sonikacji i wynikami ultradźwiękowego złuszczania borofenu, kliknij tutaj!
RuO2: Aby zapoznać się z protokołami sonikacji i wynikami ultradźwiękowego złuszczania nanopłytek tlenku rutenu, kliknij tutaj!

Ultradźwiękowe złuszczanie kilkuwarstwowych nanosheetów krzemionkowych

Kilkuwarstwowe złuszczone nanosheets krzemionki przygotowano z naturalnego wermikulitu (Verm) za pomocą eksfoliacji ultradźwiękowej. Do syntezy złuszczonych nanosieci krzemionkowych zastosowano następującą metodę złuszczania w fazie ciekłej: 40 mg nanosieci krzemionkowych rozproszono w 40 ml absolutnego etanolu. Następnie mieszaninę poddano działaniu ultradźwięków przez 2 godziny przy użyciu procesora ultradźwiękowego Hielscher UP200St, wyposażonego w sonotrodę 7 mm. Amplituda fali ultradźwiękowej była utrzymywana na stałym poziomie 70%. Zastosowano kąpiel lodową, aby uniknąć przegrzania. Niezłuszczone SN usunięto przez wirowanie przy 1000 obr / min przez 10 minut. Na koniec produkt zdekantowano i wysuszono w temperaturze pokojowej pod próżnią przez noc. (por. Guo et al., 2022)

Sondy ultradźwiękowe o dużej mocy i reaktory do złuszczania nanosheetów ksenowych

Hielscher Ultrasonics projektuje, produkuje i dystrybuuje solidne i niezawodne ultrasonografy w dowolnym rozmiarze. Od kompaktowych laboratoryjnych urządzeń ultradźwiękowych po przemysłowe sondy ultradźwiękowe i reaktory, Hielscher ma idealny system ultradźwiękowy dla Twojego procesu. Dzięki wieloletniemu doświadczeniu w zastosowaniach takich jak synteza i dyspersja nanomateriałów, nasz dobrze wyszkolony personel poleci Ci najbardziej odpowiednią konfigurację dla Twoich wymagań. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher są znane jako niezawodne konie robocze w zakładach przemysłowych. Zdolne do dostarczania bardzo wysokich amplitud, ultradźwięki Hielscher są idealne do zastosowań o wysokiej wydajności, takich jak synteza ksenów i innych jednowarstwowych nanomateriałów 2D, takich jak borofen, fosfor lub grafen, a także niezawodna dyspersja tych nanostruktur.
Niezwykle silne ultradźwięki: Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe.
Najwyższa jakość – Zaprojektowany i wyprodukowany 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 zapewnić najwyższą jakość (np. certyfikat ISO).

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców: