Ultrazvuková syntéza borofénu v priemyselnom meradle
Borofén, dvojrozmerný nanoštruktúrovaný derivát bóru, možno účinne syntetizovať jednoduchou a nízkonákladovou ultrazvukovou exfoliáciou. Ultrazvukovú exfoliáciu v kvapalnej fáze možno použiť na výrobu veľkých množstiev vysokokvalitných nanovrstiev borofénu. Technika ultrazvukovej exfoliácie sa široko používa na výrobu 2D nanomateriálov (napr. grafénu) a je dobre známa svojimi výhodami, ako sú vysoká kvalita nanovrstiev, vysoké výťažky, rýchla a jednoduchá prevádzka, ako aj celková účinnosť.
Metóda ultrazvukovej exfoliácie na prípravu borofénu
Ultrazvukom vyvolaná exfoliácia v kvapalnej fáze sa široko používa na prípravu 2D nanovrstiev z rôznych objemových prekurzorov vrátane grafitu (grafén), bóru (borofén) a ďalších. V porovnaní s technikou chemickej exfoliácie sa ultrazvukom asistovaná exfoliácia v kvapalnej fáze považuje za sľubnejšiu stratégiu prípravy 0D a 2D nanoštruktúr, ako sú bórové kvantové bodky (BQDs) a borofén. (porov. Wang et al., 2021)
Schéma vľavo znázorňuje proces ultrazvukovej nízkoteplotnej exfoliácie 2D borofénových plátkov s niekoľkými vrstvami v kvapaline. (Štúdia a obrázok: ©Lin et al., 2021.)
Sonochemický reaktor vybavený priemyselným ultrazvukovým procesorom UIP2000hdT s výkonom 2000 wattov na exfoliáciu borofénu vo veľkom meradle.
Prípadové štúdie ultrazvukovej exfoliácie borofénu
Exfoliácia a delaminácia pomocou výkonového ultrazvuku v procese prebiehajúcom v kvapalnej fáze boli podrobne skúmané a úspešne aplikované na borofén a ďalšie deriváty bóru, ako sú bórové kvantové bodky, nitrid bóru alebo diborid horečnatý.
α-borofén
V štúdii, ktorú vykonali Göktuna a Taşaltın (2021), bol α-borofén pripravený jednoduchou a nízkonákladovou ultrazvukovou exfoliáciou. Ultrazvukom syntetizované nanovrstvy borofénu vykazujú kryštálovú štruktúru α-borofénu.
Postup: 100 mg mikročastíc bóru sa sonikovalo v 100 ml DMF pri výkone 200 W (napr. pomocou UP200St so S26d14) počas 4h v komore s dusíkom (N2) s riadeným prietokom, aby sa zabránilo oxidácii počas procesu ultrazvukovej exfoliácie v kvapalnej fáze. Roztok exfoliovaných častíc bóru sa centrifugoval pri 5000 rpm a 12 000 rpm, v oboch prípadoch počas 15 min, potom sa borofén opatrne odobral a sušil vo vákuu počas 4h pri 50ºC. (porov. Göktuna a Taşaltın, 2021)
Schematické znázornenie borofénu s niekoľkými vrstvami exfoliovaného procesom solvotermálneho spracovania s asistenciou sondového ultrazvuku.
Štúdia a obrázok: ©Zhang et al., 2020
Borofén s niekoľkými vrstvami
Zhang et al. (2020) opisujú techniku solvotermálnej exfoliácie v kvapalnej fáze v acetóne, ktorá umožňuje výrobu vysokokvalitného borofénu s veľkými laterálnymi rozmermi. S využitím napučiavacieho účinku acetónu sa prekurzor vo forme bórového prášku najprv zvlhčil v acetóne. Potom sa zvlhčený bórový prekurzor ďalej solvotermálne spracoval v acetóne pri 200ºC, po čom nasledovala sonikácia sondovým sonikátorom pri výkone 225 W počas 4h. Nakoniec sa získal borofén s niekoľkými vrstvami bóru a laterálnym rozmerom až 5,05 mm. Techniku exfoliácie v kvapalnej fáze s asistenciou solvotermálneho spracovania v acetóne možno použiť na prípravu vysokokvalitných nanovrstiev bóru s veľkými laterálnymi rozmermi. (porov. Zhang et al., 2020)
Pri porovnaní XRD difraktogramu ultrazvukom exfoliovaného borofénu s objemovým bórovým prekurzorom možno pozorovať podobný XRD difraktogram. Väčšinu hlavných difrakčných maxím možno indexovať ako maximá b-romboedrického bóru, čo naznačuje, že kryštálová štruktúra zostáva pred exfoliačným spracovaním a po ňom takmer zachovaná.
Snímky zo SEM s nízkym rozlíšením (a) a vysokým rozlíšením (b) borofénu s niekoľkými vrstvami získaného ultrazvukom asistovanou solvotermálnou exfoliáciou v acetóne
Štúdia a obrázok: ©Zhang et al., 2020
XRD difraktogramy (a) a Ramanove spektrá (b) nespracovaného objemového bóru a borofénu s niekoľkými vrstvami získaného solvotermálnou exfoliáciou s asistenciou sondového ultrazvuku.
Štúdia a obrázok: ©Zhang et al., 2020
Sonochemická syntéza bórových kvantových bodiek
Hao et al. (2020) úspešne pripravili vo veľkom meradle rovnomerné kryštalické polovodičové kvantové bodky bóru (BQDs) z expandovaného bórového prášku v acetonitrile, vysoko polárnom organickom rozpúšťadle, pomocou výkonného sondového ultrazvukového prístroja (napr. UP400St, UIP500hdT alebo UIP1000hdT). Syntetizované kvantové bodky bóru mali laterálny rozmer 2,46 ±0,4 nm a hrúbku 2,81 ±0,5 nm.
Postup: Pri typickej príprave kvantových bodiek bóru sa do trojhrdlej banky najprv pridalo 30 mg bórového prášku a potom sa pred sonikáciou do nádoby pridalo 15 mL acetonitrilu. Exfoliácia sa uskutočnila pri výstupnom výkone 400 W (napr. pomocou UIP500hdT), frekvencii 20kHz a čase sonikácie 60 min. Aby sa zabránilo prehriatiu roztoku počas sonikácie, na udržanie konštantnej teploty sa použilo chladenie ľadovým kúpeľom alebo laboratórnym chladiacim zariadením. Výsledný roztok sa centrifugoval pri 1500 rpm počas 60 min. Supernatant obsahujúci kvantové bodky bóru sa opatrne odobral. Všetky experimenty sa uskutočnili pri izbovej teplote. (porov. Hao et al., 2020)
V štúdii Wang et al. (2021) výskumníci takisto pripravili kvantové bodky bóru pomocou ultrazvukovej exfoliácie v kvapalnej fáze. Získali monodisperzné kvantové bodky bóru s úzkou distribúciou veľkosti, vynikajúcou dispergovateľnosťou, vysokou stabilitou v roztoku IPA a dvojfotónovou fluorescenciou.
Snímky TEM a zodpovedajúce distribúcie priemerov BQDs pripravených za rôznych podmienok sonikácie. (a) Snímka TEM BQDs-2 syntetizovaných pri 400 W počas 2 h. (b) Snímka TEM BQDs-3 syntetizovaných pri 550 W počas 1 h. (c) Snímka TEM BQDs-3 syntetizovaných pri 400 W počas 4 h. (d) Distribúcia priemerov kvantových bodiek získaných z (a). (e) Distribúcia priemerov kvantových bodiek získaných z (b). (f) Distribúcia priemerov kvantových bodiek získaných z (c).
Štúdia a obrázok: ©Hao et al., 2020
Ultrazvuková exfoliácia nanovrstiev diboridu horečnatého
Exfoliácia sa uskutočnila suspendovaním 450mg prášku diboridu horečnatého
(MgB2) (približná veľkosť 100 mesh / 149 mikrometrov) v 150 ml vody a jeho vystavením sonikácii počas 30 minút. Ultrazvukovú exfoliáciu možno uskutočniť pomocou sondového ultrazvukového prístroja, ako je UP200Ht alebo UP400St s amplitúdou 30% a cyklickým režimom s impulzmi 10sec zapnuté/vypnuté. Výsledkom ultrazvukovej exfoliácie je tmavočierna suspenzia. Čiernu farbu možno pripísať farbe pôvodného prášku MgB2.
Vysokorýchlostná sekvencia snímok (od a po f) znázorňujúca sonomechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou ultrazvukového prístroja UP200S s výkonom 200W s 3mm sonotródou. Šípky označujú miesto štiepenia (exfoliácie), do ktorého prenikajú kavitačné bubliny.
© Tyurnina et al. 2020
Výkonné ultrazvukové prístroje na exfoliáciu borofénu v akomkoľvek meradle
Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje robustné a spoľahlivé ultrazvukové prístroje všetkých veľkostí. Od kompaktných laboratórnych ultrazvukových zariadení až po priemyselné ultrazvukové sondy a reaktory – Hielscher má ideálny ultrazvukový systém pre váš proces. Vďaka dlhoročným skúsenostiam s aplikáciami, ako sú syntéza a dispergovanie nanomateriálov, vám náš kvalifikovaný personál odporučí najvhodnejšiu zostavu pre vaše požiadavky. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher sú v priemyselných prevádzkach známe ako spoľahlivé pracovné stroje. Ultrazvukové prístroje Hielscher dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy, a preto sú ideálne pre vysokovýkonné aplikácie, ako sú exfoliácia borofénu alebo grafénu a dispergovanie nanomateriálov. Amplitúdy až do 200µm možno ľahko udržiavať nepretržite v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy vyrobené na mieru.
Všetky sonikátory a príslušenstvo Hielscher sa navrhujú a vyrábajú v sídle v Nemecku. Pred dodaním zákazníkovi sa každý ultrazvukový prístroj dôkladne testuje pri plnom zaťažení. Usilujeme sa o spokojnosť zákazníkov a naša výroba je organizovaná tak, aby spĺňala najvyššie požiadavky na zabezpečenie kvality (napr. certifikácia ISO).
- vysoká účinnosť
- najmodernejšia technológia
- spoľahlivosť a robustnosť
- dávkové a prietokové spracovanie
- pre akýkoľvek objem
- inteligentný softvér
- inteligentné funkcie (napr. zaznamenávanie údajov)
- CIP (čistenie na mieste)
Nasledujúca tabuľka poskytuje prehľad o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| neuplatňuje sa | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| neuplatňuje sa | vyšší | zoskupenie zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergovanie, emulgovanie a extrakciu v laboratórnom, poloprevádzkovom a priemyselnom meradle.
Literatúra / Referencie
- 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.
Užitočné informácie
Čo je borofén?
Borofén je kryštalická atómová monovrstva bóru, t. j. dvojrozmerná alotropická forma bóru (nazývaná aj bórový nanoplátok). Jeho jedinečné fyzikálne a chemické vlastnosti robia z borofénu cenný materiál pre početné priemyselné aplikácie.
Medzi výnimočné fyzikálne a chemické vlastnosti borofénu patria jedinečné mechanické, tepelné, elektronické, optické a supravodivé vlastnosti.
To otvára možnosti využitia borofénu v batériách s iónmi alkalických kovov, Li-S batériách, pri skladovaní vodíka, v superkondenzátoroch, pri redukcii a vývoji kyslíka, ako aj pri elektroredukčnej reakcii CO2. Mimoriadny záujem sa sústreďuje na borofén ako anódový materiál pre batérie a ako materiál na skladovanie vodíka. Vďaka vysokým teoretickým špecifickým kapacitám, elektrónovej vodivosti a vlastnostiam transportu iónov je borofén vynikajúcim anódovým materiálom pre batérie. Vďaka vysokej adsorpčnej kapacite borofénu pre vodík ponúka veľký potenciál na skladovanie vodíka – s kapacitou skladovania presahujúcou 15% jeho hmotnosti.
Ako sa borofén používa na skladovanie vodíka?
Dvojrozmerné (2D) materiály na báze bóru priťahujú veľkú pozornosť ako médiá na skladovanie H2 vďaka nízkej atómovej hmotnosti bóru a stabilite alkalických kovov nanesených na povrchu, ktoré zosilňujú interakcie s H2. Dvojrozmerné borofénové nanoplátky, ktoré možno ľahko syntetizovať pomocou ultrazvukovej exfoliácie v kvapalnej fáze opísanej vyššie, preukázali dobrú afinitu k rôznym atómom kovov naneseným na povrchu, pričom môže dochádzať k tvorbe zhlukov atómov kovov. Nanesením rôznych kovov, ako sú Li, Na, Ca a Ti, na rôzne polymorfné formy borofénu sa dosiahli pôsobivé gravimetrické hustoty H2 v rozsahu od 6 do 15 hmotn. %, ktoré prekračujú požiadavku Ministerstva energetiky USA (DOE) na palubné skladovanie 6.5hmotn.% H2. (porov. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory vo veľkostiach od laboratórnych po priemyselné.