Ультразвуковое отшелушивание ксенов

Ксены представляют собой 2D моноэлементальные наноматериалы с экстраординарными свойствами, такими как очень высокая площадь поверхности, анизотропные физические / химические свойства, включая превосходную электропроводность или прочность на растяжение. Ультразвуковое отшелушивание или расслоение является эффективным и надежным методом производства однослойных 2D-нанолистов из слоистых материалов-предшественников. Ультразвуковое отшелушивание уже установлено для производства высококачественных ксеновых нанолистов в промышленных масштабах.

Ксены – Монослойные наноструктуры

Ксены представляют собой монослойные (2D), моноэлементарные наноматериалы, которые имеют графен-подобную структуру, внутрислойную ковалентную связь и слабые силы Ван-дер-Ваальса между слоями. Примерами материалов, входящих в класс ксенов, являются борофен, силицен, германен, станен, фосфорен (черный фосфор), арсенен, висмутен, 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 снимке слева показаны SEM изображения ультразвукового отслаивания борофена.

Производство наноматериалов Xenes с использованием ультразвукового расслоения

Жидкое отшелушивание слоистых наноматериалов: Однослойные 2D-нанолисты получают из неорганических материалов со слоистыми структурами (например, графитом), которые состоят из слабо уложенных слоев-хозяев, которые отображают расширение или набухание галереи от слоя к слою при интеркаляции определенных ионов и/или растворителей. Отшелушивание, при котором слоистая фаза расщепляется на нанолисты, обычно сопровождает набухание из-за быстро ослабленных электростатических притяжений между слоями, которые производят коллоидные дисперсии отдельных 2D-слоев или листов. (ср. Geng et al, 2013) В целом известно, что отек облегчает отшелушивание с помощью ультразвука и приводит к отрицательно заряженным нанолистам. Химическая предварительная обработка также облегчает отшелушивание с помощью обработки ультразвуком в растворителях. Например, функционализация позволяет отшелушивать слоистые двойные гидроксиды (LDH) в спиртах. (ср. Николози и др., 2013)
Для ультразвукового отшелушивания/расслоения слоистый материал подвергается воздействию мощных ультразвуковых волн в растворителе. Когда энергоемкие ультразвуковые волны соединяются в жидкость или суспензию, происходит акустическая или ультразвуковая кавитация. Ультразвуковая кавитация характеризуется коллапсом вакуумных пузырьков. Ультразвуковые волны проходят через жидкость и генерируют чередующиеся циклы низкого давления / высокого давления. Мельчайшие вакуумные пузырьки возникают во время цикла низкого давления (разрежения) и растут в течение различных циклов низкого давления / высокого давления. Когда кавитационный пузырь достигает точки, где он не может поглощать какую-либо дополнительную энергию, пузырь сильно взрывается 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 толкают растворитель между уложенными слоями и распадающимися слоистыми твердыми частицами и кристаллическими структурами, тем самым производя отслоившиеся нанолисты. Последовательность изображений ниже демонстрирует процесс отшелушивания ультразвуковой кавитацией.

Высокоскоростная последовательность (от a до f) кадров, иллюстрирующих соно-механическое отшелушивание графитовой чешуйки в воде с использованием UP200S, ультразвуковой аппарат 200 Вт с 3-мм сонотродом. Стрелки показывают место расщепления (отшелушивания) с кавитационными пузырьками, проникающими в раскол.
© Тюрнина и др. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Моделирование показало, что если поверхностная энергия растворителя аналогична энергии слоистого материала, разница энергий между отслоившимся и реагрегированным состояниями будет очень маленькой, устраняя движущую силу для повторной агрегации. По сравнению с альтернативными методами перемешивания и сдвига, ультразвуковые мешалки обеспечили более эффективный источник энергии для отшелушивания, что привело к демонстрации ионного интеркаляционного отшелушивания TaS с помощью интеркаляции.₂Нбс₂, и MoS₂, а также слоистые оксиды. (ср. Николози и др., 2013)

Изображения TEM ультразвуковых жидких отшелушенных нанолистов: (A) Графеновый нанолист, отшелушенный с помощью обработки ультразвуком в растворителе N-метил-пирролидоне. (B) Нанолист h-BN, отшелушенный с помощью обработки ультразвуком в растворителе изопропаноле. (C) Нанолист MoS2, отшелушиваемый с помощью обработки ультразвуком в водном растворе поверхностно-активного вещества.
(Исследование и фотографии: ©Николози и др., 2013)

Ультразвуковые протоколы жидкостного отшелушивания

Ультразвуковое отшелушивание и расслоение ксен и других монослойных наноматериалов широко изучалось в исследованиях и успешно переведено в стадию промышленного производства. Ниже мы представляем вам выбранные протоколы отшелушивания с использованием ультразвука.

Ультразвуковое отшелушивание фосфореновых нанохлопьев

Фосфорен (также известный как черный фосфор, BP) представляет собой 2D-слоистый моноэлементальный материал, образованный из атомов фосфора.
В исследовании Passaglia et al. (2018) продемонстрировано получение стабильных суспензий фосфорена − метилметакрилата методом жидкофазного отшелушивания (LPE) bP с последующей радикальной полимеризацией с помощью ультразвука. Метилметакрилат (ММА) является жидким мономером.

Протокол ультразвукового жидкого пилинга фосфорена

MMA_bPn, NVP_bPn и Sty_bPn суспензии были получены LPE в присутствии единственного мономера. В типичной процедуре ∼5 мг bP, тщательно измельченного в ступке, помещали в пробирку, а затем добавляли взвешенное количество MMA, Sty или NVP. Мономерную суспензию bP обрабатывали ультразвуком в течение 90 мин с помощью гомогенизатора Hielscher Ultrasonics UP200St (200 Вт, 26 кГц), оснащен сонотродом S26d2 (диаметр наконечника: 2 мм). Ультразвуковая амплитуда поддерживалась постоянной на уровне 50% при P = 7 Вт. Во всех случаях для улучшения рассеивания тепла использовалась ледяная ванна. Заключительная MMA_bPn, NVP_bPn и Sty_bPn дисквалификация была затем сложена N2 в течение 15 минут. Все суспензии были проанализированы DLS, показав значения rH, действительно близкие к значениям DMSO_bPn. Например, MMA_bPn суспензии (имеющей около 1% содержания bP) характеризовалась rH = 512 ± 58 нм.
В то время как другие научные исследования фосфорена сообщают о времени обработки ультразвуком в несколько часов с использованием ультразвукового очистителя, растворителей с высокой температурой кипения и низкой эффективности, исследовательская группа Passaglia демонстрирует высокоэффективный протокол ультразвукового отшелушивания с использованием ультразвукового аппарата зондового типа (т.е. UP200St).

Ультразвуковое отшелушивание борофена

Для ознакомления с протоколами ультразвуковой обработки и результатами ультразвукового отшелушивания борофена, пожалуйста, нажмите здесь!

Ультразвуковое отшелушивание малослойных нанолистов кремнезема

Малослойные отшелушиваемые нанолисты кремнезема (E-SN) были получены из природного вермикулита (Verm) с помощью ультразвукового отшелушивания. Для синтеза отшелушиваемых кремнеземных нанолистов применялся следующий жидкофазный метод отшелушивания: 40 мг кремнеземных нанолистов (SN) диспергировали в абсолютном этаноле объемом 40 мл. Впоследствии смесь подвергали ультразвуком в течение 2 ч с помощью Hielscher. Ультразвуковой процессор UP200St, оснащен 7 мм сонотродом. Амплитуда ультразвуковой волны поддерживалась постоянной на уровне 70%. Во избежание перегрева применялась ледяная ванна. Неэксфолиированные SN удаляли центрифугированием при 1000 об/мин в течение 10 мин. Наконец, продукт декантировали и сушили при комнатной температуре под вакуумом в течение ночи. (см. Guo et al., 2022)

Мощные ультразвуковые зонды и реакторы для отшелушивания нанолистов Xenes

Hielscher Ultrasonics разрабатывает, производит и распространяет прочные и надежные ультразвуковые аппараты любого размера. От компактных лабораторных ультразвуковых устройств до промышленных ультразвуковых зондов и реакторов, Hielscher имеет идеальную ультразвуковую систему для вашего процесса. Обладая многолетним опытом в таких приложениях, как синтез и дисперсия наноматериалов, наш хорошо обученный персонал порекомендует вам наиболее подходящую установку для ваших требований. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher известны как надежные рабочие лошади на промышленных объектах. Ультразвуковые аппараты Hielscher, способные обеспечивать очень высокие амплитуды, идеально подходят для высокопроизводительных приложений, таких как синтез ксен и других 2D-монослойных наноматериалов, таких как борофен, фосфорен или графен, а также для надежной дисперсии этих наноструктур.
Необычайно мощный ультразвук: Hielscher Ультразвук’ промышленные ультразвуковые процессоры могут обеспечить очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200 мкм могут быть легко непрерывно запущены в 24 / 7 операции. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.
Наивысшее качество – Разработано и сделано в Германии: Все оборудование спроектировано и изготовлено в нашей штаб-квартире в Германии. Перед поставкой заказчику каждое ультразвуковое устройство тщательно тестируется под полной нагрузкой. Мы стремимся к удовлетворению клиентов, и наше производство структурировано таким образом, чтобы соответствовать самым высоким гарантиям качества (например, сертификация ISO).

В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов: