Ultrazvočna sinteza borofena v industrijskem merilu
Borofen, dvodimenzionalni nanostrukturirani derivat bora, se lahko učinkovito sintetizira z enostavnim in poceni ultrazvočnim pilingom. Ultrazvočni piling v tekoči fazi se lahko uporablja za proizvodnjo velikih količin visokokakovostnih borofenskih nanolistov. Tehnika ultrazvočnega pilinga se pogosto uporablja za proizvodnjo 2D nanomaterialov (npr. Grafena) in je dobro znana po svojih prednostih visoko kakovostnih nanolistov, visokih donosov, hitrega in enostavnega delovanja ter splošni učinkovitosti.
Ultrazvočna metoda pilinga za pripravo borofena
Ultrazvočno vodeni piling v tekoči fazi se pogosto uporablja za pripravo 2D nanolistov iz različnih predhodnih sestavin v razsutem stanju, vključno z grafitom (grafen), borom (borofen) med drugim. V primerjavi s tehniko kemičnega pilinga se ultrazvočno podprt piling v tekoči fazi šteje za bolj obetavno strategijo za pripravo 0D in 2D nanostruktur, kot so borove kvantne pike (BQD) in borofen. (prim. Wang et al., 2021)
Shema na levi strani prikazuje ultrazvočni postopek pilinga tekočine pri nizki temperaturi 2D maloplastnih listov borofena. (Študija in slika: ©Lin et al., 2021.)
Sonokemični reaktor, opremljen z 2000 vatov industrijski ultrazvočni procesor UIP2000hdT za obsežno piling borofena.
Študije primerov ultrazvočnega pilinga borofena
Piling in razslojevanje z uporabo močnega ultrazvoka v procesu tekoče faze je bilo široko raziskano in uspešno uporabljeno za borofen in druge derivate bora, kot so borove kvantne pike, borov nitrid ali magnezijev diborid.
α-borofen
V študiji, ki sta jo izvedla Göktuna in Taşaltın (2021), je bil α borofen pripravljen z enostavnim in poceni ultrazvočnim pilingom. Ultrazvočno sintetizirani borofenski nanolisti kažejo α borofensko kristalno strukturo.
Protokol: 100 mg mikrodelcev bora je bilo sonikiranih v 100 ml DMF pri 200 W (npr. z uporabo UP200St s S26d14) 4 ure v dušiku (N2) kabina z nadzorom pretoka, da se prepreči oksidacija med ultrazvočnim postopkom pilinga v tekoči fazi. Raztopino luščenih delcev bora smo 15 minut centrifugirali s 5000 vrtljaji na minuto oziroma 12.000 vrtljajev na minuto, nato pa se je borofen skrbno zbral in sušil v vakuumu 4 ure pri 50 ° C. (prim. Göktuna in Taşaltın, 2021)
Shematski prikaz borofena z nekaj plastmi, luščenimi s sondo z ultrazvočno podprto solvotermalno obdelavo.
Študija in slika: ©Zhang et al., 2020
Večplastni borofen
(2020) poročajo o tehniki pilinga acetonske soltotermalne tekoče faze, ki omogoča proizvodnjo visokokakovostnega borofena z veliko vodoravno velikostjo. Z uporabo nabrekajočega učinka acetona je bil predhodnik borovega prahu najprej navlažen v acetonu. Nato je bil navlaženi predhodnik bora nadalje solvotermno obdelan z acetonom pri 200 ° C, čemur je sledila ultrazvočna obdelava s sondnim zvočnikom pri 225 W 4 ure. Končno smo dobili borofen z nekaj plastmi bora in vodoravno velikostjo do 5,05 mm. Tehnika pilinga v tekoči fazi s pomočjo acetona z raztopino se lahko uporablja za pripravo borovih nanolistov z velikimi horizontalnimi velikostmi in visoke kakovosti. (prim. Zhang et al., 2020)
Ko primerjamo XRD vzorec ultrazvočno luščenega borofena s predhodnikom bora v razsutem stanju, lahko opazimo podoben vzorec XRD. Večino glavnih difrakcijskih vrhov lahko indeksiramo na b-romboedrični bor, kar kaže, da je kristalna struktura skoraj ohranjena pred in po obdelavi pilinga.
SEM slike z nizko ločljivostjo (a) in visoko ločljivostjo (b) borofena z nekaj plastmi, pridobljene z ultrazvočno podprto solvotermalno eksfolijacijo v acetonu
Študija in slika: ©Zhang et al., 2020
XRD vzorci (a) in Ramanovi spektri (b) neobdelanega razsutega bora in borofena z nekaj plastmi, pridobljenimi z ultrazvočno podprto solvotermalnim pilingom sonde.
Študija in slika: ©Zhang et al., 2020
Sonokemična sinteza borovih kvantnih pik
(2020) uspešno pripravili obsežne in enakomerne kristalne polprevodniške borove kvantne pike (BQD) iz ekspandiranega borovega prahu v acetonitrilu, visoko polarnem organskem topilu, z uporabo močnega ultrazvočnega zvočnega tipa sonde (npr. UP400St, UIP500hdT ali UIP1000hdT). Sintetizirali so borove kvantne pike s stransko velikostjo 2,46 ±0,4 nm in debelino 2,81 ±0,5 nm.
Protokol: Pri tipični pripravi borovih kvantnih pik je bilo 30 mg borovega prahu najprej dodano v bučko s tremi vrati, nato pa je bilo v steklenico dodano 15 ml acetonitrila pred ultrazvočnim postopkom. Piling je bil izveden pri izhodni moči 400 W (npr. z uporabo UIP500hdT), frekvenca 20kHz in ultrazvočni čas 60 min. Da bi se izognili pregrevanju raztopine med ultrazvočno obdelavo, je bilo uporabljeno hlajenje z ledeno kopeli ali laboratorijskim hladilnikom za konstantno temperaturo. Nastalo raztopino smo centrifugirali pri 1500 vrtljajih na minuto 60 minut. Supernatant, ki je vseboval borove kvantne pike, je bil nežno ekstrahiran. Vsi poskusi so bili izvedeni pri sobni temperaturi. (prim. Hao et al., 2020)
(2021) raziskovalec pripravi borove kvantne pike tudi z uporabo ultrazvočne tehnike pilinga v tekoči fazi. Pridobili so monodisperzno borovo kvantno piko z ozko porazdelitvijo velikosti, odlično disperznostjo, visoko stabilnostjo v raztopini IPA in fluorescenco z dvema fotografijama.
TEM slike in ustrezna porazdelitev premera BQD, pripravljenih v različnih ultrazvočnih pogojih. (a) TEM slika BQD-2, sintetizirana pri 400 W za 2 uri. (b) TEM slika BQD-3, sintetizirana pri 550 W za 1 uro. (c) TEM slika BQD-3, sintetizirana pri 400 W za 4 ure. (d) Porazdelitev premera kvantnih pik, pridobljenih iz (a). (e) Porazdelitev premera kvantnih pik, pridobljenih iz (b). (f) Porazdelitev premera kvantnih pik, pridobljenih iz (c).
Študija in slika: ©Hao et al., 2020
Ultrazvočni piling nanolistov magnezijevega diborida
Postopek pilinga je bil izveden s suspenzijo 450 mg magnezijevega diborida
(MgB2) prašek (približno 100 velikosti mrežnega očesa / 149 mikronov) v 150 ml vode in ga izpostavite ultrazvoku 30 minut. Ultrazvočni piling se lahko izvede z ultrazvočnim aparatom tipa sonde, kot je UP200Ht ali UP400St z amplitudo 30% in načinom cikla 10 sekund impulzov vklopa/izklopa. Ultrazvočni piling povzroči temno črno suspenzijo. Črno barvo lahko pripišemo barvi neokrnjenega prahu MgB2.
Hitro zaporedje (od a do f) okvirjev, ki ponazarjajo sono-mehansko luščenje grafitnih kosmičev v vodi z uporabo UP200S, 200W ultrazvočni aparat s 3 mm sonotrodo. Puščice kažejo mesto cepitve (pilinga) s kavitacijskimi mehurčki, ki prodirajo v razcep.
© Tyurnina et al. 2020
Zmogljivi ultrazvočni aparati za piling borofena v vseh merilih
Hielscher Ultrasonics načrtuje, proizvaja in distribuira robustne in zanesljive ultrazvočne aparate vseh velikosti. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do industrijskih ultrazvočnih sond in reaktorjev, Hielscher ima idealen ultrazvočni sistem za vaš proces. Z dolgoletnimi izkušnjami na področju aplikacij, kot sta sinteza in disperzija nanomaterialov, vam bo naše dobro usposobljeno osebje priporočilo najprimernejšo nastavitev za zahteve nanomaterialov. Hielscher industrijski ultrazvočni procesorji so znani kot zanesljivi delovni konji v industrijskih objektih. Hielscher ultrazvočni aparati, ki lahko zagotovijo zelo visoke amplitude, so idealni za visoko zmogljive aplikacije, kot so piling borofena ali grafena, kot tudi disperzije nanomaterialov. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
Vsa oprema je zasnovana in izdelana na našem sedežu v Nemčiji. Pred dostavo kupcu je vsaka ultrazvočna naprava skrbno preizkušena pri polni obremenitvi. Prizadevamo si za zadovoljstvo strank in naša proizvodnja je strukturirana tako, da izpolnjuje najvišje zagotavljanje kakovosti (npr. ISO certifikat).
- visoka učinkovitost
- Najsodobnejša tehnologija
- Zanesljivost & Robustnosti
- Serije & Inline
- za poljubno količino
- Inteligentna programska oprema
- pametne funkcije (npr. protokoliranje podatkov)
- CIP (čiščenje na mestu)
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
Literatura / Reference
- 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.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
borofen
Borofen je kristalni atomski monosloj bora, tj. je dvodimenzionalni alotrop bora (imenovan tudi borov nanolist). Njegove edinstvene fizikalne in kemijske lastnosti spreminjajo borofen v dragocen material za številne industrijske aplikacije.
Izjemne fizikalne in kemijske lastnosti borofena vključujejo edinstvene mehanske, toplotne, elektronske, optične in superprevodne vidike.
To odpira možnosti za uporabo borofena za uporabo v ionskih baterijah z alkalijskimi kovinami, Li-S baterijah, shranjevanju vodika, superkondenzatorju, redukciji in evoluciji kisika ter reakciji elektroredukcije CO2. Še posebej veliko zanimanje je za borofen kot anodni material za baterije in kot material za shranjevanje vodika. Zaradi visokih teoretičnih specifičnih zmogljivosti, elektronske prevodnosti in ionskih transportnih lastnosti se borofen kvalificira kot odličen anodni material za baterije. Zaradi visoke absorpcijske zmogljivosti vodika v borofen ponuja velik potencial za shranjevanje vodika – z zmogljivostjo več kot 15% njegove teže.
Borofen za shranjevanje vodika
Dvodimenzionalni (2D) materiali na osnovi bora so deležni veliko pozornosti kot mediji za shranjevanje H2 zaradi nizke atomske mase bora in stabilnosti okrasnih alkalnih kovin na površini, ki izboljšujejo interakcije s H2. Dvodimenzionalni borofeni nanolisti, ki jih je mogoče enostavno sintetizirati z ultrazvočnim pilingom v tekoči fazi, kot je opisano zgoraj, so pokazali dobro afiniteto za različne atome, ki okrasijo kovine, v katerih lahko pride do združevanja kovinskih atomov. Z uporabo različnih kovinskih okraskov, kot so Li, Na, Ca in Ti na različnih borofenskih polimorfih, so bile pridobljene impresivne gravimetrične gostote H2 v razponu od 6 do 15 mas.%, ki presegajo zahtevo ameriškega ministrstva za energijo (DOE) za shranjevanje na krovu 6,5 wt% H2. (prim. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.