Síntese ultrassónica de borofeno à escala industrial

O borofeno, um derivado nanoestruturado bidimensional do boro, pode ser sintetizado de forma eficiente através de uma esfoliação ultrassónica simples e de baixo custo. A esfoliação ultrassónica em fase líquida pode ser utilizada para produzir grandes quantidades de nanofolhas de borofeno de elevada qualidade. A técnica de esfoliação ultrassónica é amplamente utilizada para produzir nanomateriais 2D (por exemplo, grafeno) e é bem conhecida pelas suas vantagens: nanofolhas de elevada qualidade, rendimentos elevados, operação rápida e simples, bem como eficiência global.

Método de esfoliação ultrassónica para a preparação de borofeno

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

Estudos de caso de esfoliação ultrassónica de borofeno

A esfoliação e a delaminação com ultrassons de potência num processo em fase líquida têm sido amplamente estudadas e aplicadas com sucesso ao borofeno e a outros derivados do boro, como pontos quânticos de boro, nitreto de boro ou diboreto de magnésio.

α-Borofeno

No estudo realizado por Göktuna e Taşaltın (2021), o borofeno α foi preparado através de uma esfoliação ultrassónica simples e de baixo custo. As nanofolhas de borofeno sintetizadas por ultrassons apresentam uma estrutura cristalina de borofeno α.
Protocolo: 100 mg de micropartículas de boro foram submetidos a sonicação em 100 ml de DMF a 200 W (por exemplo, utilizando o UP200St com S26d14) durante 4h numa câmara com fluxo controlado 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 a 5000 rpm e a 12 000 rpm durante 15 min, respetivamente, e depois o borofeno foi cuidadosamente recolhido e seco num ambiente de vácuo durante 4h a 50ºC. (cf. Göktuna and Taşaltın, 2021)

Ilustração esquemática de borofeno com poucas camadas esfoliado pelo processo de tratamento solvotérmico assistido por ultrassons de sonda.
Estudo e imagem: ©Zhang et al., 2020

Borofeno com poucas camadas

Zhang et al. (2020) descrevem uma técnica de esfoliação em fase líquida com tratamento solvotérmico em acetona, que permite a produção de borofeno de elevada qualidade com uma grande dimensão horizontal. Utilizando o efeito de inchamento da acetona, o precursor de boro em pó foi primeiro humedecido em acetona. Em seguida, o precursor de boro humedecido foi submetido a um tratamento solvotérmico adicional em acetona a 200ºC, seguido de sonicação com um sonicador de sonda a 225 W durante 4h. Foi finalmente obtido borofeno com poucas camadas de boro e uma dimensão horizontal de até 5,05 mm. A técnica de esfoliação em fase líquida assistida por tratamento solvotérmico em acetona pode ser utilizada para preparar nanofolhas de boro com grandes dimensões horizontais e de elevada qualidade. (cf. Zhang et al., 2020)
Quando se compara o padrão de XRD do borofeno esfoliado por ultrassons com o do precursor de boro maciço, pode observar-se um padrão de XRD semelhante. A maioria dos principais picos de difração pode ser indexada ao boro b-romboédrico, o que sugere que a estrutura cristalina se mantém quase inalterada antes e depois do tratamento de esfoliação.

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

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

Síntese sonoquímica de pontos quânticos de boro

Hao et al. (2020) prepararam com sucesso, em grande escala, pontos quânticos de boro (BQDs) semicondutores, cristalinos e uniformes a partir de pó de boro expandido em acetonitrilo, um solvente orgânico altamente polar, utilizando um potente sonicador de sonda (por exemplo, UP400St, UIP500hdT ou UIP1000hdT). Os pontos quânticos de boro sintetizados apresentavam uma dimensão lateral de 2,46 ±0,4 nm e uma espessura de 2,81 ±0,5 nm.
Protocolo: Numa preparação típica de pontos quânticos de boro, foram primeiro adicionados 30 mg de pó de boro a um balão de três tubuladuras e, em seguida, foram adicionados 15 mL de acetonitrilo ao recipiente antes do processo de sonicação. A esfoliação foi realizada com uma potência de saída de 400 W (por exemplo, utilizando o UIP500hdT), uma frequência de 20kHz e um tempo de sonicação de 60 min. Para evitar o sobreaquecimento da solução durante a sonicação, foi aplicado arrefecimento com 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 cuidadosamente. Todas as experiências foram realizadas à temperatura ambiente. (cf. Hao et al., 2020)
No estudo de Wang et al. (2021), os investigadores também prepararam pontos quânticos de boro utilizando a técnica de esfoliação ultrassónica em fase líquida. Obtiveram pontos quânticos de boro monodispersos com uma distribuição de tamanhos estreita, excelente dispersibilidade, elevada estabilidade em solução de IPA e fluorescência «two-photo».

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

Esfoliação ultrassónica de nanofolhas de diboreto de magnésio

O processo de esfoliação foi realizado colocando em suspensão 450mg de pó de diboreto de magnésio
(MgB₂) (granulometria de aprox. 100 mesh / 149 micrómetros) em 150 ml de água e submetendo-o a sonicação durante 30 minutos. A esfoliação ultrassónica pode ser realizada com um sonicador de sonda, como o UP200Ht ou UP400St com uma amplitude de 30% e um modo de ciclo com impulsos de 10sec de ativação/desativação. A esfoliação ultrassónica resulta numa suspensão de cor preta intensa. A cor preta pode ser atribuída à cor do pó de MgB2 original.

Uma sequência de fotogramas captada a alta velocidade (de a a f) que ilustra a esfoliação sonomecânica de uma lamela de grafite em água utilizando o UP200S, um sonicador de 200W com um sonotrodo de 3mm. As setas mostram o local de separação (esfoliação), com bolhas de cavitação a penetrarem na fenda.
© Tyurnina et al. 2020

Sonicadores potentes para a esfoliação de borofeno a qualquer escala

A Hielscher Ultrasonics concebe, fabrica e distribui sonicadores robustos e fiáveis de qualquer dimensão. Desde dispositivos ultrassónicos compactos de laboratório até sondas e reatores ultrassónicos industriais, a Hielscher tem o sistema ultrassónico ideal para o seu processo. Com uma longa experiência em aplicações como a síntese e a dispersão de nanomateriais, a nossa equipa com sólida formação recomendar-lhe-á a configuração mais adequada aos seus requisitos. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher são conhecidos como equipamentos de trabalho fiáveis nas instalações industriais. Capazes de fornecer amplitudes muito elevadas, os sonicadores da Hielscher são ideais para aplicações de elevado desempenho, como a esfoliação de borofeno ou grafeno, bem como para dispersões de nanomateriais. É possível operar facilmente com amplitudes de até 200µm de forma contínua, em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.
Todos os sonicadores e acessórios da Hielscher são concebidos e fabricados na sede na Alemanha. Antes da entrega ao cliente, cada dispositivo ultrassónico é cuidadosamente testado sob carga máxima. Procuramos alcançar a satisfação do cliente e a nossa produção está estruturada para cumprir os mais elevados requisitos de garantia da qualidade (por exemplo, certificação ISO).

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: