Sinteza cu ultrasunete borofen la scară industrială
Borofenul, un derivat nanostructurat bidimensional al borului, poate fi sintetizat eficient printr-o exfoliere cu ultrasunete facilă și ieftină. Exfolierea cu ultrasunete în fază lichidă poate fi utilizată pentru a produce cantități mari de nanofoi de borofen de înaltă calitate. Tehnica exfolierii cu ultrasunete este utilizată pe scară largă pentru a produce nanomateriale 2D (de exemplu, grafen) și este bine cunoscută pentru avantajele sale de nanofoi de înaltă calitate, randamente ridicate, funcționare rapidă și ușoară, precum și eficiență generală.
Metoda de exfoliere cu ultrasunete pentru prepararea borofenului
Ultrasonically condus exfoliere fază lichidă este utilizat pe scară largă pentru a pregăti nanosheets 2D din diverse precursori în vrac, inclusiv grafit (grafen), bor (borofen), printre altele. În comparație cu tehnica de exfoliere chimică, exfolierea în fază lichidă asistată ultrasonically este considerată strategia mai promițătoare pentru pregătirea nanostructurilor 0D și 2D, ar fi punctele cuantice de bor (BQD) și borofenul. (cf. Wang și colab., 2021)
Schema din stânga arată procesul de exfoliere lichidă cu ultrasunete la temperatură scăzută a foilor de borofen cu câteva straturi 2D. (Studiu și imagine: ©Lin și colab., 2021.)
Reactor sonochimic echipat cu un 2000 wați procesor ultrasonic industrial UIP2000hdT pentru exfolierea borofenului pe scară largă.
Studii de caz de exfoliere cu ultrasunete borofen
Exfolierea și delaminarea folosind ultrasunete de putere într-un proces în fază lichidă au fost studiate pe scară largă și aplicate cu succes borofenului și altor derivați ai borului, cum ar fi punctele cuantice de bor, nitrura de bor sau diborura de magneziu.
α-Borofen
În studiul efectuat de Göktuna și Tașaltın (2021), borofenul α fost preparat printr-o exfoliere cu ultrasunete facilă și ieftină. Nanofoile de borofen sintetizate ultrasonically prezintă o structură cristalină α borofen.
Protocol: 100 mg microparticule de bor au fost sonicated în 100 ml DMF la 200 W (de exemplu, folosind UP200St cu S26d14) pentru 4h într-un azot (N2) cabină cu debit controlat pentru a preveni oxidarea în timpul procesului de exfoliere cu ultrasunete în fază lichidă. Soluția de particule exfoliate de bor a fost centrifugată cu 5000 rpm și, respectiv, 12.000 rpm timp de 15 minute, apoi borofenul colectat cu grijă și uscat într-un ambient vidat timp de 4 ore la 50 ° C. (cf. Göktuna și Tașaltın, 2021)
Ilustrare schematică a borofenului cu câteva straturi exfoliate de procesul de tratament solvotermic asistat cu ultrasunete.
Studiu și imagine: ©Zhang și colab., 2020
Borofen cu puține straturi
Zhang et al. (2020) raportează o tehnică de exfoliere în fază lichidă solvotermă cu acetonă, care permite producerea de borofen de înaltă calitate cu dimensiuni orizontale mari. Folosind efectul de umflare al acetonei, precursorul pulberii de bor a fost mai întâi umezit în acetonă. Apoi, precursorul borului umezit a fost tratat solvotermic în acetonă la 200 ° C, urmată de sonicare cu un sonicator de tip sondă la 225 W timp de 4 ore. Borofenul cu câteva straturi de bor și o dimensiune orizontală de până la 5,05 mm a fost obținut în cele din urmă. Tehnica de exfoliere în fază lichidă asistată de acetonă poate fi utilizată pentru prepararea nanofoilor de bor cu dimensiuni orizontale mari și de înaltă calitate. (cf. Zhang și colab., 2020)
Când modelul XRD al borofenului exfoliat ultrasonically este comparat cu precursorul borului în vrac, se poate observa un model XRD similar. Majoritatea vârfurilor majore de difracție pot fi indexate cu borul b-romboedric, sugerând că structura cristalină este aproape conservată înainte și după tratamentul de exfoliere.
Imagini SEM cu rezoluție scăzută (a) și rezoluție înaltă (b) de borofen cu puține straturi obținute prin exfoliere solvotermică asistată ultrasonically în acetonă
Studiu și imagine: ©Zhang și colab., 2020
Modele XRD (a) și spectre Raman (b) de bor și borofen în vrac netratate cu câteva straturi obținute prin exfoliere solvotermică asistată cu ultrasunete.
Studiu și imagine: ©Zhang și colab., 2020
Sinteza sonochimică a punctelor cuantice de bor
Hao et al. (2020) a pregătit cu succes puncte cuantice de bor semiconductor cristalin pe scară largă și uniformă (BQD) din pulbere de bor expandat în acetonitril, un solvent organic foarte polar, folosind un ultrasonicator puternic de tip sondă (de exemplu, UP400St, UIP500hdT sau UIP1000hdT). Punctele cuantice de bor sintetizate cu 2,46 ±0,4 nm în dimensiune laterală și 2,81 ±0,5 nm în grosime.
Protocol: Într-un preparat tipic de puncte cuantice de bor, 30 mg de pulbere de bor a fost adăugat mai întâi într-un balon cu trei gâturi și apoi 15 ml de acetonitril a fost adăugat în sticlă înainte de procesul de ultrasonication. Exfolierea a fost efectuată la o putere de ieșire de 400 W (de exemplu, folosind UIP500hdT), frecvența de 20kHz și timpul ultrasonic de 60 min. Pentru a evita supraîncălzirea soluției în timpul ultrasonication, răcirea folosind o baie de gheață sau un răcitor de laborator a fost aplicată pentru o temperatură constantă. Soluția rezultată a fost centrifugată la 1500 rpm timp de 60 de minute. Supernatantul care conținea puncte cuantice de bor a fost extras ușor. Toate experimentele au fost efectuate la temperatura camerei. (cf. Hao și colab., 2020)
În studiul lui Wang și colab. (2021), cercetătorul pregătește puncte cuantice de bor folosind și tehnica de exfoliere a fazei lichide cu ultrasunete. Ei au obținut un punct cuantic de bor monodispersat cu o distribuție îngustă a dimensiunilor, dispersabilitate excelentă, stabilitate ridicată în soluție IPA și fluorescență cu două fotografii.
Imaginile TEM și distribuția corespunzătoare a diametrului BQD-urilor preparate în condiții ultrasonice diferite. (a) Imaginea TEM a BQDs-2 sintetizată la 400 W timp de 2 ore. (b) Imaginea TEM a BQDs-3 sintetizată la 550 W timp de 1 oră. (c) Imaginea TEM a BQD-3 sintetizată la 400 W timp de 4 ore. (d) Distribuția diametrului punctelor cuantice obținute de la litera (a). (e) Distribuția diametrului punctelor cuantice obținute de la litera (b). (f) Distribuția diametrului punctelor cuantice obținute de la litera (c).
Studiu și imagine: ©Hao și colab., 2020
Exfolierea cu ultrasunete a nanofoilor de diborură de magneziu
Procesul de exfoliere a fost realizat prin suspendarea a 450 mg de diborură de magneziu
(MgB2) pulbere (aproximativ 100 dimensiunea ochiurilor / 149 microni) în 150 ml de apă și expunerea la ultrasonication timp de 30 de minute. Exfolierea cu ultrasunete poate fi efectuată cu un ultrasonicator de tip sondă, ar fi UP200Ht sau UP400St cu o amplitudine de 30% și modul ciclu de impulsuri pornit/oprit de 10sec. Exfolierea cu ultrasunete are ca rezultat o suspensie neagră închisă. Culoarea neagră poate fi atribuită culorii pulberii curate MgB2.
O secvență de mare viteză (de la a la f) de cadre care ilustrează exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200S, un ultrasonicator de 200W cu sonotrodă de 3mm. Săgețile arată locul de despicare (exfoliere) cu bule de cavitație care penetrează despicarea.
© Tyurnina și colab. 2020
Ultrasonicators puternice pentru exfolierea borofenului la orice scară
Hielscher Ultrasonics proiectează, produce, și distribuie ultrasonicators robuste și fiabile la orice dimensiune. De la dispozitive compacte cu ultrasunete de laborator la sonde industriale cu ultrasunete și reactoare, Hielscher are sistemul cu ultrasunete ideal pentru procesul dumneavoastră. Cu o experiență îndelungată în aplicații precum sinteza și dispersia nanomaterialelor, personalul nostru bine instruit vă va recomanda cea mai potrivită configurație pentru cerințele de your. Hielscher procesoare industriale cu ultrasunete sunt cunoscute ca cai de lucru fiabile în instalații industriale. Capabil să furnizeze amplitudini foarte mari, ultrasonicators Hielscher sunt ideale pentru aplicații de înaltă performanță, ar fi borofen sau exfoliere grafen, precum și dispersii nanomateriale. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile.
Toate echipamentele sunt proiectate și fabricate în sediul nostru din Germania. Înainte de livrarea către client, fiecare dispozitiv cu ultrasunete este testat cu atenție sub sarcină maximă. Ne străduim să satisfacem clienții, iar producția noastră este structurată pentru a îndeplini cea mai înaltă asigurare a calității (de exemplu, certificarea ISO).
- eficiență ridicată
- tehnologie de ultimă generație
- fiabilitate & robustețe
- Lot & Inline
- pentru orice volum
- Software inteligent
- Caracteristici inteligente (de exemplu, protocoale de date)
- CIP (curățare pe loc)
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:
| Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500 ml | 10 până la 200 ml/min | UP100H |
| 10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 până la 20L | 00.2 până la 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L / min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță pentru aplicații de amestecare, dispersie, emulsionare și extracție pe laborator, pilot și scară industrială.
Literatură / Referințe
- 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.
Fapte care merită știute
borofen
Borofenul este un monostrat atomic cristalin de bor, adică este un alotrop bidimensional al borului (numit și nanofoaie de bor). Caracteristicile sale fizice și chimice unice transformă borofenul într-un material valoros pentru numeroase aplicații industriale.
Proprietățile fizice și chimice excepționale ale borofenului includ fațete mecanice, termice, electronice, optice și supraconductoare unice.
Acest lucru deschide posibilități de utilizare a borofenului pentru aplicații în bateriile cu ioni de metale alcaline, bateriile Li-S, stocarea hidrogenului, supercondensatorul, reducerea și evoluția oxigenului, precum și reacția de electroreducere a CO2. Un interes deosebit de mare este acordat borofenului ca material anodic pentru baterii și ca material de stocare a hidrogenului. Datorită capacităților teoretice specifice ridicate, conductivității electronice și proprietăților de transport ionic, borofenul se califică drept material anodic excelent pentru baterii. Datorită capacității ridicate de adsorbție a hidrogenului în borofen, acesta oferă un mare potențial de stocare a hidrogenului – cu o capacitate de stocare de peste 15% din greutatea sa.
Borofen pentru stocarea hidrogenului
Materialele bidimensionale (2D) pe bază de bor primesc multă atenție ca medii de stocare H2 datorită masei atomice scăzute a borului și stabilității decorării metalelor alcaline la suprafață, care sporesc interacțiunile cu H2. Nanofoile bidimensionale de borofen, care pot fi ușor sintetizate folosind exfolierea cu ultrasunete în fază lichidă, așa cum este descris mai sus, au arătat o bună afinitate pentru diferiți atomi de decorare a metalelor, în care pot apărea grupări de atomi de metal. Folosind o varietate de decorațiuni metalice, cum ar fi Li, Na, Ca și Ti pe diferite polimorfe de borofen, au fost obținute densități gravimetrice impresionante H2 cuprinse între 6 și 15 wt%, depășind cerința Departamentului de Energie al SUA (DOE) pentru stocarea la bord de 6,5wt% H2. (cf. Habibi și colab., 2021)
Hielscher Ultrasonics produce omogenizatoare cu ultrasunete de înaltă performanță de la Laborator spre dimensiunea industrială.