Ultrazvočna sinteza borofena v industrijskem merilu
Borofen, dvodimenzionalni nanostrukturirani derivat bora, je mogoče učinkovito sintetizirati s preprosto in poceni ultrazvočno eksfoliacijo. Ultrazvočna eksfoliacija v tekoči fazi se lahko uporablja za proizvodnjo velikih količin visokokakovostnih nanoploščic borofena. Tehnika ultrazvočne eksfoliacije se pogosto uporablja za proizvodnjo 2D nanomaterialov (npr. grafena) in je dobro znana po svojih prednostih: visokokakovostnih nanoploščicah, visokih izkoristkih, hitrem in preprostem izvajanju ter splošni učinkovitosti.
Metoda ultrazvočne eksfoliacije za pripravo borofena
Ultrazvočno povzročena eksfoliacija v tekoči fazi se pogosto uporablja za pripravo 2D nanoploščic iz različnih masivnih prekurzorjev, med drugim iz grafita (grafen) in bora (borofen). V primerjavi s tehniko kemične eksfoliacije velja ultrazvočno podprta eksfoliacija v tekoči fazi za obetavnejši pristop k pripravi 0D in 2D nanostruktur, kot so borove kvantne pike (BQDs) in borofen. (prim. Wang et al., 2021)
Shema na levi prikazuje postopek nizkotemperaturne ultrazvočne eksfoliacije v tekočini za pridobivanje 2D ploščic borofena z nekaj plastmi. (Študija in slika: ©Lin et al., 2021.)
Sonokemični reaktor, opremljen z industrijskim ultrazvočnim procesorjem UIP2000hdT z močjo 2000 vatov za eksfoliacijo borofena v velikem merilu.
Študije primerov ultrazvočne eksfoliacije borofena
Eksfoliacija in delaminacija z uporabo močnostnega ultrazvoka v postopku v tekoči fazi sta bili obsežno raziskani in uspešno uporabljeni za borofen ter 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 s preprosto in poceni ultrazvočno eksfoliacijo. Ultrazvočno sintetizirane nanoploščice borofena imajo kristalno strukturo α-borofena.
Protokol: 100 mg mikrodelcev bora so sonikirali v 100 ml DMF pri 200 W (npr. z uporabo UP200St s S26d14) 4h v komori z nadzorovanim pretokom dušika (N2) za preprečevanje oksidacije med ultrazvočno eksfoliacijo v tekoči fazi. Raztopino eksfoliiranih delcev bora so centrifugirali pri 5000 rpm in 12.000 rpm, v obeh primerih 15 min, nato pa borofen previdno zbrali in ga sušili v vakuumu 4h pri 50ºC. (prim. Göktuna in Taşaltın, 2021)
Shematski prikaz borofena z nekaj plastmi, eksfoliiranega s postopkom solvotermalne obdelave ob podpori ultrazvočne sonde.
Študija in slika: ©Zhang et al., 2020
Borofen z nekaj plastmi
Zhang et al. (2020) poročajo o tehniki solvotermalne eksfoliacije v tekoči fazi z acetonom, ki omogoča proizvodnjo visokokakovostnega borofena z velikimi lateralnimi dimenzijami. Zaradi učinka nabrekanja, ki ga povzroča aceton, so prekurzor iz borovega prahu najprej omočili z acetonom. Nato so omočeni borov prekurzor dodatno solvotermalno obdelali v acetonu pri 200ºC, čemur je sledila sonikacija s sondnim sonikatorjem pri 225 W, ki je trajala 4h. Na koncu so pridobili borofen z nekaj plastmi bora in lateralno dimenzijo do 5,05 mm. Tehniko eksfoliacije v tekoči fazi ob podpori solvotermalne obdelave z acetonom je mogoče uporabiti za pripravo visokokakovostnih borovih nanoploščic z velikimi lateralnimi dimenzijami. (prim. Zhang et al., 2020)
Pri primerjavi rentgenskega difraktograma (XRD) ultrazvočno eksfoliiranega borofena z difraktogramom masivnega borovega prekurzorja je mogoče opaziti podoben vzorec XRD. Večino glavnih difrakcijskih vrhov je mogoče indeksirati kot vrhove b-romboedričnega bora, kar nakazuje, da se kristalna struktura pri eksfoliacijski obdelavi skoraj v celoti ohrani.
Posnetki SEM z nizko ločljivostjo (a) in visoko ločljivostjo (b) borofena z nekaj plastmi, pridobljenega z ultrazvočno podprto solvotermalno eksfoliacijo v acetonu
Študija in slika: ©Zhang et al., 2020
Rentgenski difraktogrami (XRD) (a) in Ramanovi spektri (b) neobdelanega masivnega bora ter borofena z nekaj plastmi, pridobljenega s solvotermalno eksfoliacijo ob podpori ultrazvočne sonde.
Študija in slika: ©Zhang et al., 2020
Sonokemična sinteza borovih kvantnih pik
Hao et al. (2020) so v velikem merilu uspešno pripravili enakomerne kristalne polprevodniške borove kvantne pike (BQDs) iz ekspandiranega borovega prahu v acetonitrilu, močno polarnem organskem topilu, z uporabo zmogljivega sondnega ultrazvočnega sonikatorja (npr. UP400St, UIP500hdT ali UIP1000hdT). Sintetizirane borove kvantne pike z lateralno dimenzijo 2,46 ±0,4 nm in debelino 2,81 ±0,5 nm.
Protokol: Pri običajni pripravi borovih kvantnih pik so najprej dodali 30 mg borovega prahu v bučko s tremi vratovi in nato pred ultrazvočno obdelavo vanjo dodali 15 mL acetonitrila. Eksfoliacijo so izvedli pri izhodni moči 400 W (npr. z uporabo UIP500hdT), frekvenci 20kHz in času ultrazvočne obdelave 60 min. Za preprečevanje pregrevanja raztopine med ultrazvočno obdelavo so za vzdrževanje stalne temperature uporabili hlajenje z ledeno kopeljo ali laboratorijskim hladilnikom. Nastalo raztopino so centrifugirali pri 1500 rpm 60 min. Supernatant, ki je vseboval borove kvantne pike, so previdno odvzeli. Vse poskuse so izvedli pri sobni temperaturi. (prim. Hao et al., 2020)
V študiji Wang et al. (2021) so raziskovalci prav tako pripravili borove kvantne pike s tehniko ultrazvočne eksfoliacije v tekoči fazi. Pridobili so monodisperzne borove kvantne pike z ozko porazdelitvijo velikosti, odlično disperzibilnostjo, visoko stabilnostjo v raztopini IPA in fluorescenco »two-photo«.
Posnetki TEM in ustrezne porazdelitve premerov BQDs, pripravljenih pri različnih pogojih ultrazvočne obdelave. (a) Posnetek TEM BQDs-2, sintetiziranih pri 400 W v 2 h. (b) Posnetek TEM BQDs-3, sintetiziranih pri 550 W v 1 h. (c) Posnetek TEM BQDs-3, sintetiziranih pri 400 W v 4 h. (d) Porazdelitev premerov kvantnih pik s posnetka (a). (e) Porazdelitev premerov kvantnih pik s posnetka (b). (f) Porazdelitev premerov kvantnih pik s posnetka (c).
Študija in slika: ©Hao et al., 2020
Ultrazvočna eksfoliacija nanoploščic magnezijevega diborida
Postopek eksfoliacije so izvedli tako, da so suspendirali 450mg prahu magnezijevega diborida
(MgB2) (približna velikost 100 mesh / 149 mikrometrov) v 150 ml vode in ga ultrazvočno obdelovali 30 minut. Ultrazvočno eksfoliacijo je mogoče izvesti s sondnim ultrazvočnim sonikatorjem, kot je UP200Ht ali UP400St pri amplitudi 30% in cikličnem načinu z 10sec impulzi vklopa/izklopa. Ultrazvočna eksfoliacija ustvari temno črno suspenzijo. Črno barvo je mogoče pripisati barvi neobdelanega prahu MgB2.
Zaporedje posnetkov, zajetih z visoko hitrostjo (od a do f), ki prikazuje sonomehansko eksfoliacijo grafitnega kosmiča v vodi z uporabo UP200S, ultrazvočnega sonikatorja z močjo 200W s 3mm sonotrodo. Puščice kažejo mesto razcepa (eksfoliacije), v katerega prodirajo kavitacijski mehurčki.
© Tyurnina et al. 2020
Zmogljivi ultrazvočni sonikatorji za eksfoliacijo borofena v katerem koli merilu
Hielscher Ultrasonics načrtuje, izdeluje in distribuira robustne in zanesljive ultrazvočne sonikatorje vseh velikosti. Od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav do industrijskih ultrazvočnih sond in reaktorjev – Hielscher ima idealen ultrazvočni sistem za vaš proces. Naše dobro usposobljeno osebje vam bo na podlagi dolgoletnih izkušenj z aplikacijami, kot sta sinteza in dispergiranje nanomaterialov, priporočilo najprimernejšo konfiguracijo za vaše zahteve. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher so v industrijskih obratih znani kot zanesljive delovne naprave. Ultrazvočni sonikatorji Hielscher omogočajo zelo visoke amplitude in so idealni za visokozmogljive aplikacije, kot sta eksfoliacija borofena ali grafena, ter za dispergiranje nanomaterialov. Neprekinjeno delovanje pri amplitudah do 200µm je mogoče brez težav vzdrževati v režimu 24/7. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
Vsi sonikatorji Hielscher in dodatki so zasnovani in izdelani na sedežu v Nemčiji. Pred dobavo kupcu vsako ultrazvočno napravo skrbno preizkusimo pri polni obremenitvi. Prizadevamo si za zadovoljstvo kupcev, naša proizvodnja pa je organizirana tako, da izpolnjuje najvišje zahteve zagotavljanja kakovosti (npr. certificiranje ISO).
- visoka učinkovitost
- najsodobnejša tehnologija
- zanesljivost in robustnost
- šaržna in pretočna obdelava
- za kateri koli volumen
- inteligentna programska oprema
- pametne funkcije (npr. beleženje podatkov)
- CIP (čiščenje na mestu)
Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih sonikatorjev:
| Volumen šarže | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | večji | sklop naprav UIP16000 |
Stopite v stik z nami! / Vprašajte nas!
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, dispergiranje, emulgiranje in ekstrakcijo v laboratorijskem, pilotnem in industrijskem merilu.
Literatura / Viri
- 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.
Koristna dejstva
Kaj je borofen?
Borofen je kristalna enojna plast atomov bora, tj. dvodimenzionalna alotropska oblika bora (imenovana tudi borova nanoploščica). Zaradi svojih edinstvenih fizikalnih in kemijskih značilnosti je borofen dragocen material za številne industrijske aplikacije.
Izjemne fizikalne in kemijske lastnosti borofena vključujejo edinstvene mehanske, toplotne, elektronske, optične in superprevodne lastnosti.
To odpira možnosti za uporabo borofena v baterijah z ioni alkalijskih kovin, baterijah Li-S, pri shranjevanju vodika, v superkondenzatorjih, pri redukciji in sproščanju kisika ter pri reakciji elektrokemične redukcije CO2. Posebej veliko zanimanja je za borofen kot anodni material za baterije in kot material za shranjevanje vodika. Zaradi visokih teoretičnih specifičnih kapacitet, elektronske prevodnosti in lastnosti prenosa ionov je borofen odličen anodni material za baterije. Zaradi visoke sposobnosti adsorpcije vodika na borofen ima velik potencial za shranjevanje vodika – z zmogljivostjo shranjevanja več kot 15% svoje mase.
Kako se borofen uporablja za shranjevanje vodika?
Dvodimenzionalni (2D) materiali na osnovi bora so deležni velike pozornosti kot mediji za shranjevanje H2 zaradi nizke atomske mase bora in stabilnosti alkalijskih kovin, nanesenih na površino, ki krepijo interakcije s H2. Dvodimenzionalne nanoploščice borofena, ki jih je mogoče preprosto sintetizirati z ultrazvočno eksfoliacijo v tekoči fazi, kot je opisano zgoraj, so pokazale dobro afiniteto do različnih kovinskih atomov, nanesenih na površino, pri čemer lahko nastanejo skupki kovinskih atomov. Z nanašanjem različnih kovin, kot so Li, Na, Ca in Ti, na različne polimorfe borofena so bile dosežene izjemne gravimetrične gostote H2 v razponu od 6 do 15 wt %, ki presegajo zahtevo ministrstva za energijo ZDA (DOE) za shranjevanje v vozilu, ki znaša 6,5wt% H2. (prim. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics izdeluje visokozmogljive ultrazvočne homogenizatorje od laboratorijske do industrijske velikosti.