Ultrazvočni piling ksena

Kseni so 2D monoelementarni nanomateriali z izjemnimi lastnostmi, kot so zelo velika površina, anizotropne fizikalne / kemijske lastnosti, vključno z vrhunsko električno prevodnostjo ali natezno trdnostjo. Ultrazvočni piling ali razslojevanje je učinkovita in zanesljiva tehnika za izdelavo enoslojnih 2D nanolistov iz večplastnih predhodnih materialov. Ultrazvočni piling je že vzpostavljen za proizvodnjo visokokakovostnih ksenovih nanolistov v industrijskem obsegu.

Xenes – Enoslojne nanostrukture

Kseni so enoslojni (2D), monoelementarni nanomateriali, ki imajo grafensko podobno strukturo, kovalentno vez znotraj plasti in šibke van der Waalsove sile med plastmi. Primeri materialov, ki so del razreda ksena, so borofen, silicen, germanen, stanen, fosforen (črni fosfor), arzen, bizmuten ter teluren in antimonen. Zaradi svoje enoslojne 2D strukture so ksenovi nanomateriali karakterizirani z zelo veliko površino ter izboljšanimi kemičnimi in fizikalnimi reaktivnostmi. Te strukturne lastnosti dajejo ksenovim nanomaterialom impresivne fotonske, katalitične, magnetne in elektronske lastnosti, zaradi česar so te nanostrukture zelo zanimive za številne industrijske aplikacije. Na levi sliki so prikazane slike ultrazvočno luščenega borofena.

Proizvodnja ksenovih nanomaterialov z uporabo ultrazvočne delaminacije

Tekoči piling večplastnih nanomaterialov: Enoslojni 2D nanolisti so izdelani iz anorganskih materialov z večplastnimi strukturami (npr. Grafit), ki so sestavljeni iz ohlapno zloženih gostiteljskih plasti, ki kažejo razširitev ali nabrekanje iz plasti v plast ob interkalaciji določenih ionov in / ali topil. Piling, pri katerem se večplastna faza razcepi v nanoliste, običajno spremlja otekanje zaradi hitro oslabljene elektrostatične privlačnosti med plastmi, ki proizvajajo koloidne disperzije posameznih 2D plasti ali listov. (prim. Geng et al, 2013) Na splošno je znano, da oteklina olajša piling z ultrazvokom in povzroči negativno nabite nanoliste. Kemična predobdelava olajša tudi piling s pomočjo ultrazvočne obdelave v topilih. Na primer, funkcionalizacija omogoča piling večplastnih dvojnih hidroksidov (LDH) v alkoholih. (prim. Nicolosi et al., 2013)
Za ultrazvočno piling / delaminacijo je večplastni material izpostavljen močnim ultrazvočnim valovom v topilu. Ko se energijsko gosto ultrazvočni valovi povežejo v tekočino ali gnojevko, pride do akustične alias ultrazvočne kavitacije. Za ultrazvočno kavitacijo je značilen propad vakuumskih mehurčkov. Ultrazvočni valovi potujejo skozi tekočino in ustvarjajo izmenične nizkotlačne / visokotlačne cikle. Minutni vakuumski mehurčki nastanejo med ciklom nizkega tlaka (redčenja) in rastejo v različnih ciklih nizkega tlaka / visokega tlaka. Ko kavitacijski mehurček doseže točko, kjer ne more absorbirati nadaljnje energije, mehurček silovito implodira in ustvari lokalno zelo energijsko goste pogoje. Kavitacijska vroča točka je določena z zelo visokimi tlaki in temperaturo, ustreznimi tlaki in temperaturnimi razlikami, hitrimi tekočinskimi curki in strižnimi silami. Te sonomehanske in sonokemične sile potisnejo topilo med zloženimi plastmi in razbijejo plastene delce in kristalne strukture, s čimer nastanejo luščeni nanolisti. Spodnje zaporedje slik prikazuje postopek pilinga z ultrazvočno kavitacijo.

Hitro zaporedje (od a do f) okvirjev, ki ponazarjajo sono-mehansko luščenje grafitnih kosmičev v vodi z uporabo UP200S, 200W ultrazvočni aparat s 3-milimetrsko sonotrodo. Puščice kažejo mesto cepitve (pilinga) s kavitacijskimi mehurčki, ki prodirajo v razcep.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Modeliranje je pokazalo, da če je površinska energija topila podobna energiji večplastnega materiala, bo energijska razlika med luščenim in reagregiranim stanjem zelo majhna, kar bo odstranilo gonilno silo za ponovno agregacijo. V primerjavi z alternativnimi metodami mešanja in striženja so ultrazvočni mešalniki zagotovili učinkovitejši vir energije za piling, kar je privedlo do demonstracije ionsko interkalacijskega pilinga TaS₂, NbS₂in MoS₂, kot tudi večplastni oksidi. (prim. Nicolosi et al., 2013)

TEM posnetki ultrazvočno tekočih luščenih nanolistov: (A) Grafenski nanolist, ki se lušči z ultrazvočnim razbijanjem v topilu N-metil-pirolidonu. (B) Nanolist h-BN, luščen z ultrazvočnim razbijanjem v izopropanolu topilu. (C) Nanofolija MoS2, odlepljena z ultrazvočnim razbijanjem v vodni raztopini površinsko aktivne snovi.
(Študija in slike: ©Nicolosi et al., 2013)

Ultrazvočni protokoli za piling tekočine

Ultrazvočno luščenje in razslojevanje ksenov in drugih enoslojnih nanomaterialov je bilo obsežno raziskano v raziskavah in je bilo uspešno preneseno v fazo industrijske proizvodnje. Spodaj vam predstavljamo izbrane protokole pilinga z uporabo ultrazvočne obdelave.

Ultrazvočni piling fosforenskih nanokosmičev

Fosforen (znan tudi kot črni fosfor, BP) je 2D večplasten, monoelementarni material, ki nastane iz atomov fosforja.
(2018) je prikazana priprava stabilnih suspenzij fosforena − metil metakrilata s ultrazvočnim pilingom v tekoči fazi (LPE) bP v prisotnosti MMA, ki ji sledi radikalna polimerizacija. Metil metakrilat (MMA) je tekoči monomer.

Protokol za ultrazvočni tekočinski piling fosforena

MMA_bPn, NVP_bPn in Sty_bPn suspenzije je LPE pridobil v prisotnosti edinega monomera. V tipičnem postopku je bilo ∼5 mg bP, previdno zdrobljenega v malti, dano v epruveto in nato dodana tehtana količina MMA, Sty ali NVP. Suspenzija monomera bP je bila sonicirana 90 minut z uporabo homogenizatorja Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), opremljenega s sonotrodo S26d2 (premer konice: 2 mm). Ultrazvočna amplituda je bila konstantna pri 50% s P = 7 W. V vseh primerih je bila uporabljena ledena kopel za izboljšano odvajanje toplote. Zadnje MMA_bPn, NVP_bPn in Sty_bPn suspenzija so bile nato za 15 minut insufitirane z N2. Vse vzmetenja je analiziral DLS, ki je pokazal vrednosti rH, ki so bile zelo blizu vrednosti DMSO_bPn. Na primer, za suspenzijo MMA_bPn (ki ima približno 1% vsebnosti bP) je bila značilna rH = 512 ± 58 nm.
Medtem ko druge znanstvene študije o fosforenu poročajo o času ultrazvočnega čiščenja več ur z uporabo ultrazvočnega čistilca, topil z visokim vreliščem in nizko učinkovitostjo, raziskovalna skupina Passaglia prikazuje zelo učinkovit protokol ultrazvočnega pilinga z uporabo ultrazvočnega ultrazvočnega aparata (in sicer Hielscher ultrazvočni model UP200St).

Ultrazvočni piling enoslojnih nanolistov

Če želite prebrati podrobnejše podrobnosti in protokole pilinga za nanoplošče iz borofena in rutenijevega oksida, sledite spodnjim povezavam:
Borofen: Za ultrazvočne protokole in rezultate ultrazvočnega pilinga borofena, kliknite tukaj!
RuO2: Za ultrazvočne protokole in rezultate ultrazvočnega pilinga nanolistov rutenijevega oksida, kliknite tukaj!

Ultrazvočni piling večplastnih nanolistov silicijevega dioksida

Iz naravnega vermikulita (Verm) z ultrazvočnim pilingom so bili pripravljeni z večplastnimi luščenimi silicijevimi nanoploščami. Za sintezo luščenih nanolistov silicijevega dioksida je bila uporabljena naslednja metoda pilinga v tekoči fazi: 40 mg silicijevih nanolistov je bilo razpršenih v 40 ml absolutnega etanola. Nato je bila mešanica ultrazvočna 2 uri z uporabo Hielscherjevega ultrazvočnega procesorja UP200St, opremljenega s 7 mm sonotrodo. Amplituda ultrazvočnega vala je ostala konstantna pri 70%. Da bi se izognili pregrevanju, so uporabili ledeno kopel. Neluščene SN so odstranili s centrifugiranjem pri 1000 vrtljajih na minuto 10 minut. Na koncu je bil izdelek dekantiran in čez noč posušen pri sobni temperaturi v vakuumu. (prim. Guo et al., 2022)

Ultrazvočne sonde in reaktorji visoke moči za piling ksenovih nanolistov

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 vaše zahteve. Hielscher industrijski ultrazvočni procesorji so znani kot zanesljivi delovni konji v industrijskih objektih. Hielscher ultrazvočni aparati, ki lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude, so idealni za visoko zmogljive aplikacije, kot so sinteza ksenov in drugih 2D enoslojnih nanomaterialov, kot so borofen, fosforen ali grafen, kot tudi zanesljiva disperzija teh nanostruktur.
Izjemno močan ultrazvok: Hielscher Ultrasonics’ Industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.
Najvišja kakovost – Zasnovano in izdelano v Nemčiji: 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).

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: