Ультразвуковой синтез борофена в промышленном масштабе

Борофен, двумерное наноструктурированное производное бора, можно эффективно синтезировать посредством простой и недорогой ультразвуковой эксфолиации. Ультразвуковую жидкофазную эксфолиацию можно использовать для получения больших количеств высококачественных нанолистов борофена. Метод ультразвуковой эксфолиации широко используется для получения 2D-наноматериалов (например, графена) и хорошо известен такими преимуществами, как высокое качество нанолистов, высокий выход, быстрота и простота проведения процесса, а также общая эффективность.

Метод ультразвуковой эксфолиации для получения борофена

Жидкофазная эксфолиация под действием ультразвука широко используется для получения 2D-нанолистов из различных объёмных прекурсоров, включая графит (графен), бор (борофен) и другие материалы. По сравнению с методом химической эксфолиации жидкофазная эксфолиация с ультразвуковым воздействием считается более перспективной стратегией получения 0D- и 2D-наноструктур, таких как квантовые точки бора (BQDs) и борофен. (См. Wang et al., 2021)
На схеме слева показан процесс ультразвуковой низкотемпературной жидкофазной эксфолиации малослойных 2D-листов борофена. (Исследование и изображение: ©Lin et al., 2021.)

Примеры исследований ультразвуковой эксфолиации борофена

Эксфолиация и расслоение с использованием мощного ультразвука в жидкофазном процессе широко изучены и успешно применяются к борофену и другим производным бора, таким как квантовые точки бора, нитрид бора или диборид магния.

α-Борофен

В исследовании Göktuna и Taşaltın (2021) α-борофен получали посредством простой и недорогой ультразвуковой эксфолиации. Синтезированные с помощью ультразвука нанолисты борофена имеют кристаллическую структуру α-борофена.
Протокол: 100 mg микрочастиц бора обрабатывали ультразвуком в 100 ml DMF при мощности 200 W (например, с использованием UP200St с S26d14) в течение 4h в камере с регулируемым потоком азота (N₂) для предотвращения окисления в процессе ультразвуковой жидкофазной эксфолиации. Раствор эксфолиированных частиц бора центрифугировали при 5000 rpm и 12 000 rpm в течение 15 min соответственно, затем борофен осторожно собирали и сушили в вакууме в течение 4h при 50ºC. (См. Göktuna and Taşaltın, 2021)

Схематическое изображение малослойного борофена, эксфолиированного посредством сольвотермальной обработки с воздействием ультразвука зондового типа.
Исследование и изображение: ©Zhang et al., 2020

Малослойный борофен

Zhang et al. (2020) описывают метод сольвотермальной жидкофазной эксфолиации в ацетоне, позволяющий получать высококачественный борофен с большим размером в горизонтальном направлении. Используя эффект набухания под действием ацетона, прекурсор в виде порошка бора сначала смачивали ацетоном. Затем смоченный прекурсор бора дополнительно подвергали сольвотермальной обработке в ацетоне при 200ºC, после чего обрабатывали ультразвуком с помощью ультразвукового устройства зондового типа при мощности 225 W в течение 4h. В результате получали борофен, состоящий из нескольких слоёв бора, с размером в горизонтальном направлении до 5,05 mm. Метод жидкофазной эксфолиации с сольвотермальной обработкой в ацетоне можно использовать для получения высококачественных нанолистов бора с большими размерами в горизонтальном направлении. (См. Zhang et al., 2020)
При сравнении рентгеновской дифрактограммы борофена, эксфолиированного с помощью ультразвука, с дифрактограммой объёмного прекурсора бора наблюдается сходная картина. Большинство основных дифракционных пиков можно индексировать как соответствующие b-ромбоэдрическому бору, что указывает на почти полное сохранение кристаллической структуры до и после эксфолиационной обработки.

Изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (SEM), с низким разрешением (a) и высоким разрешением (b), показывающие малослойный борофен, полученный посредством сольвотермальной эксфолиации в ацетоне с ультразвуковым воздействием
Исследование и изображение: ©Zhang et al., 2020

Рентгеновские дифрактограммы (a) и спектры комбинационного рассеяния (b) необработанного объёмного бора и малослойного борофена, полученного посредством сольвотермальной эксфолиации с воздействием ультразвука зондового типа.
Исследование и изображение: ©Zhang et al., 2020

Сонохимический синтез квантовых точек бора

Hao et al. (2020) успешно получили в крупном масштабе однородные кристаллические полупроводниковые квантовые точки бора (BQDs) из расширенного порошка бора в ацетонитриле, высокополярном органическом растворителе, с использованием мощного ультразвукового устройства зондового типа (например, UP400St, UIP500hdT или UIP1000hdT). Синтезированные квантовые точки бора имели латеральный размер 2,46 ±0,4 nm и толщину 2,81 ±0,5 nm.
Протокол: при типичном получении квантовых точек бора сначала в трёхгорлую колбу помещали 30 mg порошка бора, а затем перед обработкой ультразвуком добавляли в колбу 15 mL ацетонитрила. Эксфолиацию проводили при выходной мощности 400 W (например, с использованием UIP500hdT), частоте 20kHz и продолжительности обработки ультразвуком 60 min. Для предотвращения перегрева раствора во время обработки ультразвуком и поддержания постоянной температуры применяли охлаждение с помощью ледяной бани или лабораторного чиллера. Полученный раствор центрифугировали при 1500 rpm в течение 60 min. Надосадочную жидкость, содержащую квантовые точки бора, осторожно отбирали. Все эксперименты проводили при комнатной температуре. (См. Hao et al., 2020)
В исследовании Wang et al. (2021) исследователи также получали квантовые точки бора методом ультразвуковой жидкофазной эксфолиации. Они получили монодисперсные квантовые точки бора с узким распределением по размерам, отличной диспергируемостью, высокой стабильностью в растворе IPA и флуоресценцией «two-photo».

Изображения, полученные методом просвечивающей электронной микроскопии (TEM), и соответствующее распределение по диаметрам квантовых точек бора (BQDs), полученных при различных условиях ультразвуковой обработки. (a) TEM-изображение BQDs-2, синтезированных при 400 W в течение 2 h. (b) TEM-изображение BQDs-3, синтезированных при 550 W в течение 1 h. (c) TEM-изображение BQDs-3, синтезированных при 400 W в течение 4 h. (d) Распределение по диаметрам квантовых точек с изображения (a). (e) Распределение по диаметрам квантовых точек с изображения (b). (f) Распределение по диаметрам квантовых точек с изображения (c).
Исследование и изображение: ©Hao et al., 2020

Ультразвуковая эксфолиация нанолистов диборида магния

Процесс эксфолиации проводили путём суспендирования 450mg порошка диборида магния
(MgB₂) (размер приблизительно 100 mesh / 149 microns) в 150 ml воды и его обработки ультразвуком в течение 30 минут. Ультразвуковую эксфолиацию можно проводить с помощью ультразвукового устройства зондового типа, такого как UP200Ht или UP400St с амплитудой 30% и в циклическом режиме с импульсами включения/выключения по 10sec. В результате ультразвуковой эксфолиации образуется суспензия насыщенного чёрного цвета. Чёрный цвет может быть обусловлен цветом исходного порошка MgB2.

Высокоскоростная последовательность кадров (от a до f), иллюстрирующая механическую эксфолиацию графитовой чешуйки в воде под действием ультразвука с использованием UP200S, ультразвукового устройства мощностью 200W с сонотродом 3mm. Стрелки показывают место расщепления (эксфолиации), в которое проникают кавитационные пузырьки.
© Tyurnina et al. 2020

Мощные ультразвуковые устройства для эксфолиации борофена в любом масштабе

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и поставляет прочные и надёжные ультразвуковые устройства любых размеров. От компактных лабораторных ультразвуковых устройств до промышленных ультразвуковых зондов и реакторов – Hielscher предлагает идеальную ультразвуковую систему для вашего процесса. Благодаря многолетнему опыту в таких областях применения, как синтез и диспергирование наноматериалов, наши хорошо подготовленные сотрудники порекомендуют вам наиболее подходящую конфигурацию оборудования для ваших требований. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher известны как надёжные рабочие лошадки на промышленных предприятиях. Благодаря способности обеспечивать очень высокие амплитуды ультразвуковые устройства Hielscher идеально подходят для высокопроизводительных процессов, таких как эксфолиация борофена или графена, а также диспергирование наноматериалов. При амплитудах до 200µm можно без труда работать непрерывно в режиме 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу.
Все ультразвуковые устройства и принадлежности Hielscher разрабатываются и производятся в штаб-квартире в Германии. Перед поставкой заказчику каждое ультразвуковое устройство тщательно испытывается при полной нагрузке. Мы стремимся к удовлетворённости клиентов, и наше производство организовано так, чтобы обеспечивать высочайший уровень гарантии качества (например, сертификацию ISO).

В таблице ниже приведены ориентировочные данные о производительности обработки наших ультразвуковых устройств: