Ультразвуковое отшелушивание ксенов

Ксены представляют собой двумерные моноэлементные наноматериалы с исключительными свойствами, такими как очень большая площадь поверхности, анизотропные физико-химические свойства, включая превосходную электропроводность или прочность на разрыв. Ультразвуковое отшелушивание или расслоение является эффективным и надежным методом производства однослойных 2D-нанолистов из слоистых материалов-предшественников. Ультразвуковое отшелушивание уже налажено для производства высококачественных нанолистов ксена в промышленных масштабах.

ксенес – Монослойные наноструктуры

Ксены представляют собой монослойные (2D) моноэлементные наноматериалы, которые имеют графеноподобную структуру, внутрислойную ковалентную связь и слабые силы Ван-дер-Ваальса между слоями. Примерами материалов, которые являются частью класса ксенов, являются борофен, силицен, германен, танен, фосфорен (черный фосфор), арсенен, висмутин, теллурен и антимонен. Благодаря своей однослойной 2D-структуре, наноматериалы ксенов характеризуются очень большой поверхностью, а также улучшенной химической и физической реактивностью. Эти структурные характеристики придают наноматериалам ксенов впечатляющие фотонные, каталитические, магнитные и электронные свойства и делают эти наноструктуры очень интересными для многочисленных промышленных применений. На рисунке слева показаны СЭМ-изображения отслоившегося борофена, подвергнутого ультразвуковому излучению.

Производство наноматериалов Xenes с использованием ультразвукового расслоения

Жидкостное отшелушивание слоистых наноматериалов: Однослойные 2D-нанолисты изготавливаются из неорганических материалов со слоистыми структурами (например, графитом), которые состоят из свободно уложенных основных слоев, которые демонстрируют расширение галереи от слоя к слою или набухание при интеркаляции определенных ионов и/или растворителей. Отшелушивание, при котором слоистая фаза расщепляется на нанолисты, обычно сопровождается набуханием из-за быстро ослабевающего электростатического притяжения между слоями, которые производят коллоидные дисперсии отдельных 2D-слоев или листов. (ср. Geng et al, 2013) В целом известно, что набухание способствует отшелушиванию с помощью ультразвука и приводит к образованию отрицательно заряженных нанолистов. Предварительная химическая обработка также облегчает отшелушивание за счет ультразвука в растворителях. Например, функционализация позволяет отшелушивать слоистые двойные гидроксиды (ЛДГ) в спиртах. (ср. Nicolosi et al., 2013)
Для ультразвукового отшелушивания / расслоения слоистый материал подвергается воздействию мощных ультразвуковых волн в растворителе. Когда высококалорийные ультразвуковые волны соединяются в жидкость или суспензию, происходит акустическая или ультразвуковая кавитация. Ультразвуковая кавитация характеризуется схлопыванием вакуумных пузырьков. Ультразвуковые волны проходят через жидкость и создают чередующиеся циклы низкого и высокого давления. Мельчайшие пузырьки вакуума возникают во время цикла низкого давления (разрежения) и растут в течение различных циклов низкого / высокого давления. Когда кавитационный пузырь достигает точки, где он не может поглощать дальнейшую энергию, пузырь сильно схлопывается и создает локально очень энергоемкие условия. Кавитационная горячая точка определяется очень высокими давлениями и температурой, соответствующими давлениями и перепадами температур, высокоскоростными струями жидкости и силами сдвига. Эти сономеханические и сонохимические силы выталкивают растворитель между уложенными слоями и разрушают слоистые частицы и кристаллические структуры, тем самым образуя отслоившиеся нанолисты. На приведенной ниже последовательности изображений показан процесс отшелушивания с помощью ультразвуковой кавитации.

Высокоскоростная последовательность кадров (от a до f), иллюстрирующая сономеханическое отслаивание графитовой чешуйки в воде с использованием метода UP200S, ультразвуковой аппарат мощностью 200 Вт с 3-мм сонотродом. Стрелками показано место расщепления (отслаивания) с проникновением в раскол кавитационных пузырьков.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Моделирование показало, что если поверхностная энергия растворителя аналогична поверхностной энергии слоистого материала, разница в энергиях между отслоившимся и реагрегированным состояниями будет очень мала, что устраняет движущую силу для повторного агрегирования. По сравнению с альтернативными методами перемешивания и сдвига, ультразвуковые мешалки обеспечивали более эффективный источник энергии для отшелушивания, что привело к демонстрации отшелушивания TaS с помощью ионной интеркаляции₂Нбс₂и MoS₂, а также слоистые оксиды. (ср. Nicolosi et al., 2013)

ПЭМ-изображения ультразвуковых жидких отслоенных нанолистов: (A) Графеновый нанолист, отслаивающийся с помощью ультразвука в растворителе N-метил-пирролидоне. (B) Нанолист h-BN, отслаиваемый с помощью ультразвука в растворителе изопропаноле. (C) Нанолист MoS2, отслаиваемый с помощью ультразвука в водном растворе поверхностно-активного вещества.
(Исследование и фотографии: ©Nicolosi et al., 2013)

Протоколы ультразвукового жидкостного пилинга

Ультразвуковое отшелушивание и расслоение ксенов и других монослойных наноматериалов было широко изучено в исследованиях и успешно перенесено на стадию промышленного производства. Ниже мы представляем вам выбранные протоколы отшелушивания с помощью ультразвуковой обработки.

Ультразвуковое отшелушивание наночешуек фосфорена

Фосфорен (также известный как черный фосфор, BP) представляет собой двумерный слоистый моноэлементный материал, образованный из атомов фосфора.
В исследованиях Passaglia et al. (2018) продемонстрировано получение стабильных суспензий фосфорена −метилметакрилата методом жидкофазного отшелушивания (LPE) bP с помощью ультразвука в присутствии ММА с последующей радикальной полимеризацией. Метилметакрилат (ММА) является жидким мономером.

Протокол ультразвукового жидкостного отшелушивания фосфорена

MMA_bPn, NVP_bPn и Sty_bPn суспензии получали методом LPE в присутствии единственного мономера. В типичной процедуре 5 мг bP, тщательно измельченных в ступке, помещали в пробирку, а затем добавляли взвешенное количество MMA, Sty или NVP. Суспензия мономера bP подвергалась ультразвуковой обработке в течение 90 мин с помощью гомогенизатора Hielscher Ultrasonics UP200St (200 Вт, 26 кГц), оснащенного сонотродом S26d2 (диаметр наконечника: 2 мм). Амплитуда ультразвука поддерживалась постоянной на уровне 50% при P = 7 Вт. Во всех случаях для лучшего рассеивания тепла использовалась ледяная баня. Заключительные MMA_bPn, NVP_bPn и Sty_bPn суспензии затем вводили N2 в течение 15 минут. Все подвески были проанализированы DLS, показав значения rH, действительно близкие к DMSO_bPn. Например, суспензия MMA_bPn (имеющая около 1% содержания bP) характеризовалась rH = 512 ± 58 нм.
В то время как другие научные исследования фосфорена сообщают о времени ультразвуковой обработки в несколько часов с использованием ультразвукового очистителя, растворителей с высокой температурой кипения и низкой эффективностью, исследовательская группа Пассальи демонстрирует высокоэффективный протокол ультразвукового отшелушивания с использованием ультразвукового аппарата зондового типа (а именно Ультразвуковой аппарат Hielscher модели UP200St).

Ультразвуковое отшелушивание монослойных нанолистов

Чтобы узнать более подробную информацию и протоколы отшелушивания для нанолистов борофена и оксида рутения, перейдите по ссылкам ниже:
Борофен: Для ознакомления с протоколами ультразвуковой пилинга борофеном и результатами ультразвукового пилинга борофеном, пожалуйста, нажмите здесь!
RuO2: Для ознакомления с протоколами ультразвуковой обработки и результатами ультразвукового отшелушивания нанолистов оксидом рутения, пожалуйста, нажмите здесь!

Ультразвуковое отшелушивание малослойных нанолистов диоксида кремния

Малослойные нанолисты эксфолиированного диоксида кремния были получены из природного вермикулита (Verm) методом ультразвукового отшелушивания. Для синтеза отслоившихся нанолистов диоксида кремния был применен следующий метод вспучивания в жидкой фазе: нанолисты диоксида кремния 40 мг диспергировали в 40 мл абсолютного этанола. В последующем смесь подвергали ультразвуковой обработке в течение 2 ч с помощью ультразвукового процессора Hielscher UP200St, оснащенного сонотродом 7 мм. Амплитуда ультразвуковой волны поддерживалась постоянной на уровне 70%. Во избежание перегрева была применена ледяная ванна. Неотслоившиеся SN удаляли центрифугированием при 1000 об/мин в течение 10 мин. Наконец, продукт декантировали и сушили при комнатной температуре под вакуумом в течение ночи. (ср. Го и др., 2022)

Мощные ультразвуковые зонды и реакторы для отшелушивания нанолистов ксена

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и распространяет прочные и надежные ультразвуковые аппараты любого размера. От компактных лабораторных ультразвуковых устройств до промышленных ультразвуковых зондов и реакторов - у Hielscher есть идеальная ультразвуковая система для вашего технологического процесса. Обладая многолетним опытом работы в таких областях, как синтез и диспергирование наноматериалов, наш хорошо обученный персонал порекомендует вам наиболее подходящую конфигурацию для ваших требований. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher известны как надежные рабочие лошадки на промышленных предприятиях. Ультразвуковые аппараты Hielscher, способные обеспечивать очень высокие амплитуды, идеально подходят для высокопроизводительных приложений, таких как синтез ксенов и других двухмерных монослойных наноматериалов, таких как борофен, фосфорен или графен, а также для надежного диспергирования этих наноструктур.
Необычайно мощный ультразвук: Hielscher Ultrasonics’ Промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.
Высочайшее качество – Разработано и изготовлено в Германии: Все оборудование спроектировано и изготовлено в нашем головном офисе в Германии. Перед поставкой заказчику каждый ультразвуковой аппарат проходит тщательное тестирование под полной нагрузкой. Мы стремимся к удовлетворению потребностей клиентов, и наше производство организовано таким образом, чтобы соответствовать высочайшим требованиям гарантии качества (например, сертификация ISO).

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: