Ultrazvuková exfoliácia xénov

Xény sú 2D monoelementárne nanomateriály s mimoriadnymi vlastnosťami, ako je veľmi vysoký povrch, anizotropné fyzikálne/chemické vlastnosti vrátane vynikajúcej elektrickej vodivosti alebo pevnosti v ťahu. Ultrazvuková exfoliácia alebo delaminácia je efektívna a spoľahlivá technika na výrobu jednovrstvových 2D nanolistov z vrstvených prekurzorových materiálov. Ultrazvuková exfoliácia je už zavedená na výrobu vysokokvalitných xénových nanodosiek v priemyselnom meradle.

xény – Jednovrstvové nanoštruktúry

Xény sú monovrstvové (2D), monoelementárne nanomateriály, ktoré sa vyznačujú štruktúrou podobnou grafénu, vnútrovrstvovou kovalentnou väzbou a slabými van der Waalsovými silami medzi vrstvami. Príklady materiálov, ktoré sú súčasťou triedy xénov, sú borofén, kremík, germanén, stanén, fosforén (čierny fosfor), arzén, bizmutén a telurén a antimonén. Vďaka svojej jednovrstvovej 2D štruktúre sú nanomateriály xénu charakteristické veľmi veľkým povrchom, ako aj zlepšenou chemickou a fyzikálnou reaktivitou. Tieto štrukturálne vlastnosti dávajú xénovým nanomateriálom pôsobivé fotonické, katalytické, magnetické a elektronické vlastnosti a robia tieto nanoštruktúry veľmi zaujímavými pre mnohé priemyselné aplikácie. Na obrázku vľavo sú SEM snímky ultrazvukovo exfoliovaného borofénu.

Výroba xénových nanomateriálov pomocou ultrazvukovej delaminácie

Tekutá exfoliácia vrstvených nanomateriálov: Jednovrstvové 2D nanovrstvy sa vyrábajú z anorganických materiálov s vrstvenými štruktúrami (napr. grafit), ktoré pozostávajú z voľne naskladaných hostiteľských vrstiev, ktoré vykazujú rozpínanie alebo napučiavanie z vrstvy na vrstvu pri interkalácii určitých iónov a/alebo rozpúšťadiel. Exfoliácia, pri ktorej sa vrstvená fáza štiepi na nanovrstvy, zvyčajne sprevádza opuch v dôsledku rýchlo oslabenej elektrostatickej príťažlivosti medzi vrstvami, ktoré vytvárajú koloidné disperzie jednotlivých 2D vrstiev alebo listov. (porovnaj Geng a kol., 2013) Vo všeobecnosti je známe, že opuch uľahčuje exfoliáciu ultrazvukom a vedie k záporne nabitým nanolistom. Chemická predúprava tiež uľahčuje exfoliáciu pomocou sonikácie v rozpúšťadlách. Napríklad funkcionalizácia umožňuje exfoliáciu vrstvených dvojitých hydroxidov (LDH) v alkoholoch. (porovnaj Nicolosi et al., 2013)
Na ultrazvukovú exfoliáciu / delamináciu je vrstvený materiál vystavený silným ultrazvukovým vlnám v rozpúšťadle. Keď sa energeticky husté ultrazvukové vlny spoja s kvapalinou alebo suspenziou, dochádza k akustickej alias ultrazvukovej kavitácii. Ultrazvuková kavitácia je charakterizovaná kolapsom vákuových bublín. Ultrazvukové vlny prechádzajú kvapalinou a vytvárajú striedavé nízkotlakové / vysokotlakové cykly. Drobné vákuové bubliny vznikajú počas cyklu nízkeho tlaku (zriedenia) a rastú počas rôznych nízkotlakových / vysokotlakových cyklov. Keď kavitačná bublina dosiahne bod, keď nemôže absorbovať žiadnu ďalšiu energiu, bublina prudko imploduje a vytvára lokálne veľmi energeticky husté podmienky. Kavitačné horúce miesto je určené veľmi vysokými tlakmi a teplotami, príslušnými tlakmi a teplotnými rozdielmi, vysokorýchlostnými prúdmi kvapaliny a šmykovými silami. Tieto sonomechanické a sonochemické sily tlačia rozpúšťadlo medzi naskladané vrstvy a rozbíjajú vrstvené častice a kryštalické štruktúry, čím vytvárajú exfoliované nanovrstvy. Nižšie uvedená sekvencia obrázkov demonštruje proces exfoliácie ultrazvukovou kavitáciou.

Vysokorýchlostná sekvencia (od a do f) snímok znázorňujúcich sono-mechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, 200W ultrazvuk s 3 mm sonotrodou. Šípky ukazujú miesto štiepenia (exfoliácie) s kavitačnými bublinami prenikajúcimi do štiepenia.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modelovanie ukázalo, že ak je povrchová energia rozpúšťadla podobná energii vrstveného materiálu, energetický rozdiel medzi exfoliovaným a reagregovaným stavom bude veľmi malý, čím sa odstráni hnacia sila pre opätovnú agregáciu. V porovnaní s alternatívnymi metódami miešania a strihania poskytli ultrazvukové miešadlá účinnejší zdroj energie na exfoliáciu, čo viedlo k demonštrácii exfoliácie TaS s asistovanou interkaláciou iónov₂Nbs₂a MoS₂, ako aj vrstvené oxidy. (porovnaj Nicolosi et al., 2013)

TEM snímky ultrazvukovo tekutých exfoliovaných nanolistov: (A) Grafénový nanoplát exfoliovaný pomocou sonikácie v rozpúšťadle N-metylpyrolidón. (B) Nanovrstva h-BN exfoliovaná pomocou sonikácie v rozpúšťadle izopropanole. (C) Nanovrstva MoS2 exfoliovaná pomocou sonikácie vo vodnom roztoku povrchovo aktívnej látky.
(Štúdia a obrázky: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultrazvukové protokoly exfoliácie tekutín

Ultrazvuková exfoliácia a delaminácia xénov a iných jednovrstvových nanomateriálov bola vo výskume rozsiahlo študovaná a úspešne sa preniesla do štádia priemyselnej výroby. Nižšie uvádzame vybrané exfoliačné protokoly pomocou sonikácie.

Ultrazvuková exfoliácia fosforénových nanovločiek

Fosforén (tiež známy ako čierny fosfor, BP) je 2D vrstvený monoelementárny materiál vytvorený z atómov fosforu.
Vo výskume Passaglia et al. (2018) je preukázaná príprava stabilných suspenzií fosforénu − metylmetakrylátu sonikáciou asistovanou exfoliáciou v tekutej fáze (LPE) bP v prítomnosti MMA, po ktorej nasleduje radikálová polymerizácia. Metylmetakrylát (MMA) je kvapalný monomér.

Protokol pre ultrazvukovú tekutú exfoliáciu fosforénu

MMA_bPn, NVP_bPn a Sty_bPn suspenzie získali LPE v prítomnosti jediného monoméru. Pri typickom postupe sa ∼5 mg bP, opatrne rozdrveného v mažiari, vložilo do skúmavky a potom sa pridalo vážené množstvo MMA, Sty alebo NVP. Suspenzia monoméru bP bola sonikovaná 90 minút pomocou homogenizátora Hielscher Ultrasonics UP200St (200 W, 26 kHz), vybaveného sonotródou S26d2 (priemer hrotu: 2 mm). Ultrazvuková amplitúda sa udržiavala konštantná na 50 % s P = 7 W. Vo všetkých prípadoch sa na zlepšenie odvodu tepla použil ľadový kúpeľ. Posledné MMA_bPn, NVP_bPn a Sty_bPn suspendácie boli potom na 15 minút inufflované N2. Všetky suspenzie boli analyzované DLS, pričom sa ukázali hodnoty rH skutočne blízke hodnotám DMSO_bPn. Napríklad suspenzia MMA_bPn (s obsahom asi 1% bP) bola charakterizovaná rH = 512 ± 58 nm.
Zatiaľ čo iné vedecké štúdie o fosforene uvádzajú čas sonikácie niekoľko hodín pomocou ultrazvukového čističa, rozpúšťadiel s vysokou teplotou varu a nízku účinnosť, výskumný tím Passaglia demonštruje vysoko účinný ultrazvukový exfoliačný protokol pomocou ultrazvukového ultrazvukového ultrazvuku (konkrétne Ultrazvukový model Hielscher UP200St).

Ultrazvuková exfoliácia jednovrstvových nanolistov

Ak si chcete prečítať konkrétnejšie podrobnosti a exfoliačné protokoly pre nanovrstvy z borofénu a oxidu ruténium, kliknite na nižšie uvedené odkazy:
Borofén: Protokoly sonikácie a výsledky ultrazvukovej exfoliácie borofénu nájdete tu!
RuO2: Protokoly o sonikacii a výsledky ultrazvukovej exfoliácie nanolistov oxidu ruténia nájdete tu!

Ultrazvuková exfoliácia niekoľkovrstvových nanolistov oxidu kremičitého

Niekoľkovrstvové exfoliované nanovrstvy oxidu kremičitého boli pripravené z prírodného vermikulitu (Verm) prostredníctvom ultrazvukovej exfoliácie. Na syntézu exfoliovaných nanolistov oxidu kremičitého bola použitá nasledujúca metóda exfoliácie v kvapalnej fáze: 40 mg nanoplátkov oxidu kremičitého bolo rozptýlených v 40 ml absolútneho etanolu. Následne bola zmes ultrazvukom 2 h pomocou ultrazvukového procesora Hielscher UP200St, vybaveného 7 mm sonotrodou. Amplitúda ultrazvukovej vlny sa udržiavala konštantná na 70%. Aby sa zabránilo prehriatiu, bol aplikovaný ľadový kúpeľ. Neexfoliované SN sa odstránili centrifugáciou pri 1000 ot./min počas 10 minút. Nakoniec bol výrobok dekantovaný a sušený pri izbovej teplote vo vákuu cez noc. (porovnaj Guo a kol., 2022)

Vysokovýkonné ultrazvukové sondy a reaktory na exfoliáciu xénových nanolistov

Spoločnosť Hielscher Ultrasonics navrhuje, vyrába a distribuuje robustné a spoľahlivé ultrazvukové prístroje akejkoľvek veľkosti. Od kompaktných laboratórnych ultrazvukových zariadení až po priemyselné ultrazvukové sondy a reaktory, spoločnosť Hielscher má ideálny ultrazvukový systém pre váš proces. Vďaka dlhoročným skúsenostiam v aplikáciách, ako je syntéza a disperzia nanomateriálov, vám náš dobre vyškolený personál odporučí najvhodnejšie nastavenie pre vaše požiadavky. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher sú známe ako spoľahlivé pracovné kone v priemyselných zariadeniach. Ultrazvukové prístroje Hielscher, ktoré sú schopné poskytovať veľmi vysoké amplitúdy, sú ideálne pre vysokovýkonné aplikácie, ako je syntéza xénov a iných 2D jednovrstvových nanomateriálov, ako je borofén, fosforén alebo grafén, ako aj spoľahlivú disperziu týchto nanoštruktúr.
Mimoriadne výkonný ultrazvuk: Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.
Najvyššia kvalita – Navrhnuté a vyrobené v Nemecku: Všetky zariadenia sú navrhnuté a vyrobené v našej centrále v Nemecku. Pred dodaním zákazníkovi je každý ultrazvukový prístroj starostlivo testovaný pri plnom zaťažení. Snažíme sa o spokojnosť zákazníkov a naša výroba je štruktúrovaná tak, aby spĺňala najvyššie zabezpečenie kvality (napr. certifikácia ISO).

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: