Síntese ultra-sónica de borofeno à escala industrial

Borophene, um derivado nanoestruturado bidimensional de boro, pode ser eficientemente sintetizado através de uma esfoliação ultra-sônica fácil e de baixo custo. A esfoliação ultrassônica em fase líquida pode ser usada para produzir grandes quantidades de nanofolhas de borofeno de alta qualidade. A técnica de esfoliação ultra-sônica é amplamente utilizada para produzir nanomateriais 2D (por exemplo, grafeno) e é bem conhecida por suas vantagens de nanofolhas de alta qualidade, altos rendimentos, operação rápida e fácil, bem como eficiência geral.

Método de esfoliação ultra-sónica para a preparação de borofeno

A esfoliação em fase líquida conduzida por ultra-sons é amplamente utilizada para preparar nanofolhas 2D a partir de vários precursores a granel, incluindo grafite (grafeno), boro (borofeno), entre outros. Em comparação com a técnica de esfoliação química, a esfoliação em fase líquida assistida por ultra-sons é considerada como a estratégia mais promissora para preparar 0D e nanoestruturas 2D, tais como pontos quânticos de boro (BQDs) e borofeno. (cf. Wang et al., 2021)
O esquema à esquerda mostra o processo de esfoliação líquida ultra-sónica a baixa temperatura de folhas de borofeno de poucas camadas 2D (estudo e imagem: ©Lin et al., 2021).

Estudos de casos de esfoliação ultra-sónica de borofeno

A esfoliação e a delaminação utilizando ultra-sons de potência num processo em fase líquida foram amplamente estudadas e aplicadas com êxito ao borofeno e a outros derivados de boro, como pontos quânticos de boro, nitreto de boro ou diboreto de magnésio.

α-Borofeno

No estudo realizado por Göktuna e Taşaltın (2021), α borofeno foi preparado através de uma esfoliação ultra-sônica fácil e de baixo custo. As nanofolhas de borofeno sintetizadas ultrassonicamente exibem uma estrutura cristalina de α borofeno.
Protocolo: 100 mg de micropartículas de boro foram sonicadas em 100 ml de DMF a 200 W (por exemplo, utilizando o UP200St com S26d14) durante 4h num recipiente de azoto (N₂) para evitar a oxidação durante o processo de esfoliação ultrassónica em fase líquida. A solução de partículas de boro esfoliadas foi centrifugada com 5000 rpm e 12.000 rpm por 15 min, respetivamente, em seguida, borofeno cuidadosamente coletado e seco em um ambiente de vácuo por 4h a 50ºC. (cf. Göktuna e Taşaltın, 2021)

Ilustração esquemática do borofeno com poucas camadas esfoliadas pelo processo de tratamento solvotérmico assistido por ultra-sons com sonda.
Estudo e imagem: ©Zhang et al., 2020

Borofeno de poucas camadas

Zhang et al. (2020) relatam uma técnica de esfoliação de fase líquida solvotérmica com acetona, que permite a produção de borofeno de alta qualidade com tamanho horizontal grande. Utilizando o efeito de inchaço da acetona, o precursor de boro em pó foi primeiro molhado em acetona. Em seguida, o precursor de boro molhado foi tratado solvotermicamente em acetona a 200 ºC, seguido de sonicação com um sonicador de tipo sonda a 225 W durante 4 horas. O borofeno com algumas camadas de boro e um tamanho horizontal de até 5,05 mm foi finalmente obtido. A técnica de esfoliação em fase líquida assistida por solvotérmica com acetona pode ser usada para preparar nanofolhas de boro com grandes tamanhos horizontais e de alta qualidade. (cf. Zhang et al., 2020)
Quando o padrão de XRD do borofeno esfoliado por ultra-sons é comparado com o precursor de boro a granel, pode ser observado um padrão de XRD semelhante. A maioria dos principais picos de difração pode ser indexada ao boro b-romboédrico, sugerindo que a estrutura cristalina é quase conservada antes e depois do tratamento de esfoliação.

Imagens SEM de baixa resolução (a) e alta resolução (b) de borofeno com poucas camadas obtidas por esfoliação solvotérmica assistida por ultra-sons em acetona
Estudo e imagem: ©Zhang et al., 2020

Padrões de XRD (a) e espectros Raman (b) de boro a granel não tratado e borofeno com poucas camadas obtido por esfoliação solvotérmica assistida por ultra-sons com sonda.
Estudo e imagem: ©Zhang et al., 2020

Síntese sonoquímica de pontos quânticos de boro

Hao et al. (2020) prepararam com sucesso pontos quânticos de boro semicondutores cristalinos em grande escala e uniformes (BQDs) a partir de pó de boro expandido em acetonitrilo, um solvente orgânico altamente polar, usando um poderoso ultrassom do tipo sonda (por exemplo, UP400ST, UIP500hdt OU UIP1000hdt). Os pontos quânticos de boro sintetizados têm 2,46 ±0,4 nm de tamanho lateral e 2,81 ±0,5 nm de espessura.
Protocolo: Numa preparação típica de pontos quânticos de boro, 30 mg do pó de boro foi primeiro adicionado a um balão de três gargalos e, em seguida, 15 mL de acetonitrilo foi adicionado para dentro do frasco antes do processo de ultra-sons. A esfoliação foi realizada a uma potência de saída de 400 W (por exemplo, usando o UIP500hdt), frequência de 20 kHz e tempo de ultra-sons de 60 minutos. Para evitar o sobreaquecimento da solução durante a ultra-sons, foi aplicado um arrefecimento utilizando um banho de gelo ou um refrigerador de laboratório para manter uma temperatura constante. A solução resultante foi centrifugada a 1500 rpm durante 60 min. O sobrenadante que continha os pontos quânticos de boro foi extraído suavemente. Todas as experiências foram efectuadas à temperatura ambiente. (cf. Hao et al., 2020)
No estudo de Wang et al. (2021), o pesquisador prepara pontos quânticos de boro usando a técnica de esfoliação de fase líquida ultra-sônica, também. Eles obtiveram pontos quânticos de boro monodispersos com uma distribuição de tamanho estreita, excelente dispersibilidade, alta estabilidade na solução IPA e fluorescência de duas fotos.

Imagens TEM e a correspondente distribuição do diâmetro dos BQDs preparados sob diferentes condições ultra-sónicas. (a) Imagem TEM de BQDs-2 sintetizados a 400 W durante 2 h. (b) Imagem TEM de BQDs-3 sintetizados a 550 W durante 1 h. (c) Imagem TEM de BQDs-3 sintetizados a 400 W durante 4 h. (d) Distribuição do diâmetro dos pontos quânticos adquiridos a partir de (a). (e) Distribuição do diâmetro dos pontos quânticos obtidos a partir de (b). (f) Distribuição do diâmetro dos pontos quânticos obtidos a partir de (c).
Estudo e imagem: ©Hao et al., 2020

Esfoliação ultra-sónica de nanofolhas de diboreto de magnésio

O processo de esfoliação foi efectuado através da suspensão de 450mg de diboreto de magnésio
(MgB₂) em pó (cerca de 100 malhas / 149 microns) em 150 ml de água e expô-lo a ultra-sons durante 30 minutos. A esfoliação por ultra-sons pode ser efectuada com um aparelho de ultra-sons do tipo sonda, como o UP200Ht OU UP400ST com uma amplitude de 30% e um modo de ciclo de impulsos de 10 segundos de ligar/desligar. A esfoliação ultra-sónica resulta numa suspensão preta escura. A cor preta pode ser atribuída à cor do pó de MgB2 pristino.

Sequência de fotogramas de alta velocidade (de a a f) ilustrando a esfoliação sono-mecânica de um floco de grafite em água utilizando o UP200S, um aparelho de ultra-sons de 200 W com sonotrodo de 3 mm. As setas mostram o local da divisão (esfoliação) com bolhas de cavitação penetrando na divisão.
© Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicators poderosos para a esfoliação de borofeno em qualquer escala

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui ultrassons robustos e fiáveis de qualquer dimensão. Desde dispositivos ultra-sónicos compactos de laboratório a sondas e reactores ultra-sónicos industriais, a Hielscher tem o sistema ultrassónico ideal para o seu processo. Com longa experiência em aplicações como a síntese de nanomateriais e dispersão, nossa equipe bem treinada irá recomendar-lhe a configuração mais adequada para suas necessidades. Os processadores ultra-sónicos industriais Hielscher são conhecidos como cavalos de batalha fiáveis em instalações industriais. Capaz de fornecer amplitudes muito elevadas, ultrasonicators Hielscher são ideais para aplicações de alto desempenho, tais como borofeno ou esfoliação de grafeno, bem como dispersões de nanomateriais. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodos ultra-sônicos personalizados estão disponíveis.
Todos os equipamentos são concebidos e fabricados na nossa sede na Alemanha. Antes da entrega ao cliente, cada dispositivo ultrassónico é cuidadosamente testado sob carga total. Esforçamo-nos por satisfazer o cliente e a nossa produção está estruturada para cumprir a mais elevada garantia de qualidade (por exemplo, certificação ISO).

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: