Sinteza borofenului cu ultrasunete la scară industrială

Borofenul, un derivat nanostructurat bidimensional al borului, poate fi sintetizat eficient printr-o exfoliere cu ultrasunete simplă și cu costuri reduse. Exfolierea în fază lichidă cu ultrasunete poate fi utilizată pentru a produce cantități mari de nanofoi de borofen de înaltă calitate. Tehnica de exfoliere cu ultrasunete este utilizată pe scară largă pentru producerea de nanomateriale 2D (de exemplu, grafen) și este bine cunoscută pentru avantajele sale: nanofoi de înaltă calitate, randamente ridicate, operare rapidă și simplă, precum și eficiență generală.

Metoda de exfoliere cu ultrasunete pentru prepararea borofenului

Exfolierea în fază lichidă acționată cu ultrasunete este utilizată pe scară largă pentru prepararea de nanofoi 2D din diverși precursori în masă, printre care grafitul (grafen), borul (borofen) și alții. În comparație cu tehnica de exfoliere chimică, exfolierea în fază lichidă asistată cu ultrasunete este considerată strategia mai promițătoare pentru prepararea nanostructurilor 0D și 2D, precum punctele cuantice de bor (BQDs) și borofenul. (cf. Wang et al., 2021)
Schema din stânga prezintă procesul de exfoliere lichidă cu ultrasunete la temperatură scăzută a foilor de borofen 2D cu puține straturi. (Studiu și imagine: ©Lin et al., 2021.)

Studii de caz privind exfolierea borofenului cu ultrasunete

Exfolierea și delaminarea cu ultrasunete de putere într-un proces în fază lichidă au fost studiate pe larg și aplicate cu succes borofenului și altor derivați ai borului, precum punctele cuantice de bor, nitrura de bor sau diborura de magneziu.

α-Borofen

În studiul realizat de Göktuna și Taşaltın (2021), α borofenul a fost preparat printr-o exfoliere cu ultrasunete simplă și cu costuri reduse. Nanofoile de borofen sintetizate cu ultrasunete prezintă o structură cristalină de α borofen.
Protocol: 100 mg de microparticule de bor au fost sonicate în 100 ml DMF la 200 W (de exemplu, folosind UP200St cu S26d14) timp de 4h într-o cabină cu flux controlat de azot (N₂) pentru a preveni oxidarea în timpul procesului de exfoliere în fază lichidă cu ultrasunete. Soluția de particule de bor exfoliate a fost centrifugată la 5000 rpm și, respectiv, la 12.000 rpm, timp de 15 min, apoi borofenul a fost colectat cu atenție și uscat în vid timp de 4h la 50ºC. (cf. Göktuna și Taşaltın, 2021)

Ilustrare schematică a borofenului cu puține straturi exfoliat prin procesul de tratament solvotermal asistat cu ultrasunete cu sondă.
Studiu și imagine: ©Zhang et al., 2020

Borofen cu puține straturi

Zhang et al. (2020) raportează o tehnică de exfoliere solvotermală în fază lichidă în acetonă, care permite producerea de borofen de înaltă calitate cu dimensiune orizontală mare. Folosind efectul de umflare al acetonei, precursorul sub formă de pulbere de bor a fost mai întâi umectat în acetonă. Apoi, precursorul de bor umectat a fost tratat în continuare solvotermal în acetonă la 200ºC, urmat de sonicare cu un sonicator cu sondă la 225 W timp de 4h. În final s-a obținut borofen cu câteva straturi de bor și o dimensiune orizontală de până la 5,05 mm. Tehnica de exfoliere în fază lichidă asistată solvotermal în acetonă poate fi utilizată pentru prepararea de nanofoi de bor cu dimensiuni orizontale mari și de înaltă calitate. (cf. Zhang et al., 2020)
Când difractograma XRD a borofenului exfoliat cu ultrasunete este comparată cu cea a precursorului de bor în masă, se poate observa o difractogramă XRD similară. Majoritatea vârfurilor de difracție principale pot fi indexate pentru borul b-romboedric, ceea ce sugerează că structura cristalină este aproape conservată înainte și după tratamentul de exfoliere.

Imagini SEM cu rezoluție scăzută (a) și rezoluție înaltă (b) ale borofenului cu puține straturi obținut prin exfoliere solvotermală asistată cu ultrasunete în acetonă
Studiu și imagine: ©Zhang et al., 2020

Difractograme XRD (a) și spectre Raman (b) ale borului în masă netratat și ale borofenului cu puține straturi obținut prin exfoliere solvotermală asistată cu ultrasunete cu sondă.
Studiu și imagine: ©Zhang et al., 2020

Sinteza sonochimică a punctelor cuantice de bor

Hao et al. (2020) au preparat cu succes, la scară largă, puncte cuantice de bor (BQDs) semiconductoare, cristaline și uniforme din pulbere de bor expandată în acetonitril, un solvent organic puternic polar, folosind un ultrasonicator puternic cu sondă (de exemplu, UP400St, UIP500hdT sau UIP1000hdT). Punctele cuantice de bor sintetizate au o dimensiune laterală de 2,46 ±0,4 nm și o grosime de 2,81 ±0,5 nm.
Protocol: Într-o preparare tipică a punctelor cuantice de bor, 30 mg de pulbere de bor au fost mai întâi adăugate într-un balon cu trei gâturi, apoi 15 mL de acetonitril au fost adăugați în recipient înainte de procesul de ultrasonicare. Exfolierea a fost realizată la o putere de ieșire de 400 W (de exemplu, folosind UIP500hdT), o frecvență de 20kHz și un timp de ultrasonicare de 60 min. Pentru a evita supraîncălzirea soluției în timpul ultrasonicării, s-a aplicat răcirea cu o baie de gheață sau cu un răcitor de laborator, pentru o temperatură constantă. Soluția rezultată a fost centrifugată la 1500 rpm timp de 60 min. Supernatantul care conținea puncte cuantice de bor a fost extras cu grijă. Toate experimentele au fost efectuate la temperatura camerei. (cf. Hao et al., 2020)
În studiul lui Wang et al. (2021), cercetătorii au preparat de asemenea puncte cuantice de bor folosind tehnica de exfoliere în fază lichidă cu ultrasunete. Aceștia au obținut puncte cuantice de bor monodisperse, cu o distribuție îngustă a dimensiunilor, dispersabilitate excelentă, stabilitate ridicată în soluție de IPA și fluorescență „two-photo”.

Imagini TEM și distribuția corespunzătoare a diametrelor pentru BQDs preparate în condiții ultrasonice diferite. (a) Imagine TEM a BQDs-2 sintetizate la 400 W timp de 2 h. (b) Imagine TEM a BQDs-3 sintetizate la 550 W timp de 1 h. (c) Imagine TEM a BQDs-3 sintetizate la 400 W timp de 4 h. (d) Distribuția diametrelor punctelor cuantice obținute din (a). (e) Distribuția diametrelor punctelor cuantice obținute din (b). (f) Distribuția diametrelor punctelor cuantice obținute din (c).
Studiu și imagine: ©Hao et al., 2020

Exfolierea cu ultrasunete a nanofoilor de diborură de magneziu

Procesul de exfoliere a fost realizat prin suspendarea a 450mg de diborură de magneziu
(MgB₂) sub formă de pulbere (aprox. 100 mesh / 149 microni) în 150 ml de apă și expunerea acesteia la ultrasonicare timp de 30 de minute. Exfolierea cu ultrasunete poate fi realizată cu un ultrasonicator cu sondă, precum UP200Ht sau UP400St cu o amplitudine de 30% și un mod ciclic cu impulsuri pornit/oprit de 10sec. Exfolierea cu ultrasunete are ca rezultat o suspensie de culoare neagră închisă. Culoarea neagră poate fi atribuită culorii pulberii originale de MgB2.

O secvență de cadre de mare viteză (de la a la f) 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 pătrund în despicătură.
© Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicatoare puternice pentru exfolierea borofenului la orice scară

Hielscher Ultrasonics proiectează, fabrică și distribuie ultrasonicatoare robuste și fiabile de orice dimensiune. De la dispozitive ultrasonice compacte de laborator până la sonde și reactoare ultrasonice industriale, Hielscher are sistemul ultrasonic ideal pentru procesul dumneavoastră. Cu o experiență îndelungată în aplicații precum sinteza și dispersarea nanomaterialelor, personalul nostru bine pregătit vă va recomanda configurația cea mai potrivită pentru cerințele dumneavoastră. Procesoarele ultrasonice industriale Hielscher sunt cunoscute drept „cai de povară” fiabili în instalațiile industriale. Capabile să furnizeze amplitudini foarte mari, ultrasonicatoarele Hielscher sunt ideale pentru aplicații de înaltă performanță, precum exfolierea borofenului sau a grafenului, precum și dispersiile de nanomateriale. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în funcționare continuă 24/7. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate.
Toate sonicatoarele și accesoriile Hielscher sunt proiectate și fabricate la sediul central din Germania. Înainte de livrarea către client, fiecare dispozitiv ultrasonic este testat cu atenție la sarcină maximă. Ne străduim să asigurăm satisfacția clienților, iar producția noastră este structurată pentru a îndeplini cele mai înalte cerințe de asigurare a calității (de exemplu, certificare ISO).

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: