Sinteza ultrasonike e borofenit në shkallë industriale
Borofeni, një derivat dydimensional i nanostrukturuar i borit, mund të sintetizohet me efikasitet përmes një eksfolimi ultrasonik të thjeshtë dhe me kosto të ulët. Eksfolimi ultrasonik në fazë të lëngët mund të përdoret për të prodhuar sasi të mëdha nanofletësh borofeni me cilësi të lartë. Teknika e eksfolimit ultrasonik përdoret gjerësisht për të prodhuar nanomateriale 2D (p.sh., grafen) dhe njihet mirë për përparësitë e saj: nanofletë me cilësi të lartë, rendimente të larta, funksionim të shpejtë dhe të thjeshtë, si dhe efikasitet të përgjithshëm.
Metoda e eksfolimit ultrasonik për përgatitjen e borofenit
Eksfolimi në fazë të lëngët i nxitur nga ultratingujt përdoret gjerësisht për të përgatitur nanofletë 2D nga pararendës të ndryshëm masivë, duke përfshirë ndër të tjerë grafitin (grafen) dhe borin (borofen). Krahasuar me teknikën e eksfolimit kimik, eksfolimi në fazë të lëngët i asistuar nga ultratingujt konsiderohet si strategjia më premtuese për përgatitjen e nanostrukturave 0D dhe 2D, si pikat kuantike të borit (BQDs) dhe borofeni. (shih Wang et al., 2021)
Skema në të majtë tregon procesin e eksfolimit ultrasonik në lëng në temperaturë të ulët të fletëve 2D të borofenit me pak shtresa. (Studimi dhe figura: ©Lin et al., 2021.)
Reaktor sonokimik i pajisur me një procesor industrial ultrasonik 2000 vat UIP2000hdT për eksfolimin e borofenit në shkallë të gjerë.
Studime rastesh të eksfolimit ultrasonik të borofenit
Eksfolimi dhe delaminimi me anë të ultratingujve me fuqi të lartë në një proces në fazë të lëngët janë studiuar gjerësisht dhe janë zbatuar me sukses te borofeni dhe derivatet e tjera të borit, si pikat kuantike të borit, nitruri i borit ose diboruri i magnezit.
α-Borofeni
Në studimin e kryer nga Göktuna dhe Taşaltın (2021), borofeni α u përgatit përmes një eksfolimi ultrasonik të thjeshtë dhe me kosto të ulët. Nanofletët e borofenit të sintetizuara me ultratinguj shfaqin një strukturë kristalore të borofenit α.
Protokolli: 100 mg mikrogrimca bori u trajtuan me ultratinguj në 100 ml DMF me fuqi 200 W (p.sh., duke përdorur UP200St me S26d14) për 4h në një kabinë me rrjedhje të kontrolluar të azotit (N2) për të parandaluar oksidimin gjatë procesit të eksfolimit ultrasonik në fazë të lëngët. Tretësira e grimcave të eksfoliuara të borit u centrifugua me 5000 rpm dhe 12 000 rpm, përkatësisht për 15 min, pastaj borofeni u mblodh me kujdes dhe u tha në vakum për 4h në 50ºC. (shih Göktuna dhe Taşaltın, 2021)
Ilustrim skematik i borofenit me pak shtresa, të eksfoliuar përmes procesit të trajtimit solvotermik të asistuar nga ultratingujt me sondë.
Studimi dhe figura: ©Zhang et al., 2020
Borofeni me pak shtresa
Zhang et al. (2020) raportojnë një teknikë të eksfolimit në fazë të lëngët të asistuar nga trajtimi solvotermik në aceton, e cila mundëson prodhimin e borofenit me cilësi të lartë dhe përmasa të mëdha horizontale. Duke shfrytëzuar efektin fryrës të acetonit, pararendësi në formë pluhuri bori fillimisht u lag në aceton. Më pas, pararendësi i lagur i borit iu nënshtrua më tej trajtimit solvotermik në aceton në 200ºC, i ndjekur nga trajtimi me ultratinguj me një sonikator të tipit sondë me fuqi 225 W për 4h. Në fund u përftua borofen me pak shtresa bori dhe me përmasa horizontale deri në 5,05 mm. Teknika e eksfolimit në fazë të lëngët e asistuar nga trajtimi solvotermik në aceton mund të përdoret për të përgatitur nanofletë bori me përmasa të mëdha horizontale dhe me cilësi të lartë. (shih Zhang et al., 2020)
Kur modeli XRD i borofenit të eksfoliuar me ultratinguj krahasohet me atë të pararendësit masiv të borit, mund të vërehet një model i ngjashëm XRD. Shumica e kulmeve kryesore të difraksionit mund t’i atribuohen borit b-romboedrik, duke sugjeruar se struktura kristalore ruhet pothuajse e pandryshuar para dhe pas trajtimit të eksfolimit.
Imazhe SEM me rezolucion të ulët (a) dhe rezolucion të lartë (b) të borofenit me pak shtresa, të përftuar nga eksfolimi solvotermik në aceton i asistuar nga ultratingujt
Studimi dhe figura: ©Zhang et al., 2020
Modelet XRD (a) dhe spektrat Raman (b) të borit masiv të patrajtuar dhe të borofenit me pak shtresa, të përftuar nga eksfolimi solvotermik i asistuar nga ultratingujt me sondë.
Studimi dhe figura: ©Zhang et al., 2020
Sinteza sonokimike e pikave kuantike të borit
Hao et al. (2020) përgatitën me sukses në shkallë të gjerë pika kuantike kristalore gjysmëpërçuese uniforme të borit (BQDs) nga pluhur bori i zgjeruar në acetonitril, një tretës organik shumë polar, duke përdorur një sonikator të fuqishëm me sondë (p.sh., UP400St, UIP500hdT ose UIP1000hdT). Pikat kuantike të borit të sintetizuara kishin përmasa anësore prej 2,46 ±0,4 nm dhe trashësi prej 2,81 ±0,5 nm.
Protokolli: Në një përgatitje tipike të pikave kuantike të borit, fillimisht u shtuan 30 mg pluhur bori në një balonë me tre gryka dhe më pas në enë u shtuan 15 mL acetonitril përpara procesit të trajtimit me ultratinguj. Eksfolimi u krye me një fuqi dalëse prej 400 W (p.sh., duke përdorur UIP500hdT), frekuencë 20kHz dhe kohë trajtimi me ultratinguj prej 60 min. Për të shmangur mbinxehjen e tretësirës gjatë trajtimit me ultratinguj, u përdor ftohje me banjë akulli ose me ftohës laboratorik për të ruajtur një temperaturë konstante. Tretësira e përftuar u centrifugua në 1500 rpm për 60 min. Supernatanti që përmbante pika kuantike të borit u mor me kujdes. Të gjitha eksperimentet u kryen në temperaturë dhome. (shih Hao et al., 2020)
Në studimin e Wang et al. (2021), studiuesit përgatitën gjithashtu pika kuantike të borit duke përdorur teknikën e eksfolimit në fazë të lëngët me ultratinguj. Ata përftuan pika kuantike të borit monodisperse me një shpërndarje të ngushtë të madhësisë, aftësi të shkëlqyer dispergimi, qëndrueshmëri të lartë në tretësirë IPA dhe fluoreshencë me dy fotone.
Imazhe TEM dhe shpërndarja përkatëse e diametrit të BQDs të përgatitura në kushte të ndryshme trajtimi me ultratinguj. (a) Imazh TEM i BQDs-2 të sintetizuara në 400 W për 2 h. (b) Imazh TEM i BQDs-3 të sintetizuara në 550 W për 1 h. (c) Imazh TEM i BQDs-3 të sintetizuara në 400 W për 4 h. (d) Shpërndarja e diametrit të pikave kuantike të përftuara nga (a). (e) Shpërndarja e diametrit të pikave kuantike të përftuara nga (b). (f) Shpërndarja e diametrit të pikave kuantike të përftuara nga (c).
Studimi dhe imazhi: ©Hao et al., 2020
Eksfolimi me ultratinguj i nanofletëve të diborurit të magnezit
Procesi i eksfolimit u krye duke pezulluar 450mg pluhur diboruri të magnezit
(MgB2) (madhësi afërsisht 100 mesh / 149 mikrometra) në 150 ml ujë dhe duke e ekspozuar ndaj ultratingujve për 30 minuta. Eksfolimi me ultratinguj mund të kryhet me një sonikator me sondë, si UP200Ht ose UP400St me amplitudë 30% dhe regjim ciklik me impulse aktivizimi/çaktivizimi prej 10sec. Eksfolimi me ultratinguj jep një suspension me ngjyrë të zezë të errët. Ngjyra e zezë mund t’i atribuohet ngjyrës së pluhurit fillestar MgB2.
Një sekuencë kuadrosh me shpejtësi të lartë (nga a deri në f) që ilustron eksfolimin sonomekanik të një flete grafiti në ujë duke përdorur UP200S, një sonikator 200W me sonotrodë 3mm. Shigjetat tregojnë vendin e ndarjes (eksfolimit), ku flluskat e kavitacionit depërtojnë në të çarë.
© Tyurnina et al. 2020
Sonikatorë të fuqishëm për eksfolimin e borofenit në çdo shkallë
Hielscher Ultrasonics projekton, prodhon dhe shpërndan sonikatorë të qëndrueshëm dhe të besueshëm të çdo madhësie. Nga pajisjet kompakte laboratorike me ultratinguj deri te sondat dhe reaktorët industrialë me ultratinguj, Hielscher ka sistemin ideal me ultratinguj për procesin tuaj. Me përvojë shumëvjeçare në aplikime si sinteza dhe dispergimi i nanomaterialeve, stafi ynë i trajnuar mirë do t’ju rekomandojë konfigurimin më të përshtatshëm për kërkesat tuaja. Procesorët industrialë me ultratinguj të Hielscher njihen si pajisje të besueshme për punë intensive në impiantet industriale. Të aftë për të dhënë amplituda shumë të larta, sonikatorët Hielscher janë idealë për aplikime me performancë të lartë, si eksfolimi i borofenit ose grafenit, si dhe për dispergimin e nanomaterialeve. Amplituda deri në 200µm mund të mbahen lehtësisht në mënyrë të vazhdueshme gjatë funksionimit 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të përshtatura sipas kërkesave.
Të gjitha pajisjet projektohen dhe prodhohen në selinë tonë në Gjermani. Përpara dorëzimit te klienti, çdo pajisje me ultratinguj testohet me kujdes nën ngarkesë të plotë. Ne synojmë kënaqësinë e klientit dhe prodhimi ynë është i strukturuar për të përmbushur standardet më të larta të sigurimit të cilësisë (p.sh., certifikimi ISO).
- efikasitet i lartë
- teknologji e fjalës së fundit
- besueshmëri dhe qëndrueshmëri
- përpunim në seri dhe në linjë
- për çdo vëllim
- softuer inteligjent
- funksione inteligjente (p.sh., regjistrimi i të dhënave)
- CIP (pastrim në vend)
Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të pajisjeve tona me ultratinguj:
| Vëllimi i serisë | Prurja | Pajisjet e rekomanduara |
|---|---|---|
| 1 deri në 500mL | 10 deri në 200mL/min | UP100H |
| 10 deri në 2000mL | 20 deri në 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 deri në 20L | 0,2 deri në 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 deri në 100L | 2 deri në 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 deri në 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | më e madhe | grup pajisjesh UIP16000 |
Na kontaktoni! / Na pyesni!
Hielscher Ultrasonics prodhon homogjenizues me ultratinguj me performancë të lartë për aplikime përzierjeje, dispergimi, emulsifikimi dhe ekstraktimi në shkallë laboratorike, pilot dhe industriale.
Literaturë / Referenca
- 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.
Fakte që ia vlen të dini
Borofeni
Borofeni është një monoshtresë atomike kristalore e borit, pra një alotrop dydimensional i borit (i quajtur edhe nanofletë bori). Karakteristikat e tij unike fizike dhe kimike e bëjnë borofenin një material të vlefshëm për aplikime të shumta industriale.
Vetitë e jashtëzakonshme fizike dhe kimike të borofenit përfshijnë veçori unike mekanike, termike, elektronike, optike dhe superpërçuese.
Kjo hap mundësi për përdorimin e borofenit në aplikime në bateri me jone metalesh alkaline, bateri Li-S, ruajtjen e hidrogjenit, superkondensatorë, reduktimin dhe çlirimin e oksigjenit, si dhe në reaksionin e elektroreduktimit të CO2. Interes veçanërisht i lartë i kushtohet borofenit si material anodik për bateri dhe si material për ruajtjen e hidrogjenit. Falë kapaciteteve të larta specifike teorike, përçueshmërisë elektronike dhe vetive të transportit të joneve, borofeni është një material i shkëlqyer anodik për bateri. Për shkak të kapacitetit të lartë të adsorbimit të hidrogjenit në borofen, ai ofron potencial të madh për ruajtjen e hidrogjenit – me një kapacitet ruajtjeje mbi 15% të peshës së tij.
Borofeni për ruajtjen e hidrogjenit
Materialet dydimensionale (2D) me bazë bori po tërheqin shumë vëmendje si mjedise për ruajtjen e H2 për shkak të masës së ulët atomike të borit dhe qëndrueshmërisë së metaleve alkaline të vendosura në sipërfaqe, të cilat përforcojnë ndërveprimet me H2. Nanofletët dydimensionale të borofenit, të cilat mund të sintetizohen lehtësisht duke përdorur eksfolimin me ultratinguj në fazë të lëngët, siç përshkruhet më sipër, kanë treguar afinitet të mirë për atome të ndryshme metalike të vendosura në sipërfaqe, ku mund të ndodhë grupimi i atomeve metalike. Duke vendosur metale të ndryshme, si Li, Na, Ca dhe Ti, në polimorfe të ndryshme të borofenit, janë arritur dendësi gravimetrike mbresëlënëse të H2 që variojnë nga 6 deri në 15 wt %, duke tejkaluar kërkesën e Departamentit të Energjisë të SHBA-së (DOE) për ruajtjen në bord prej 6,5wt% H2. (krh. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics prodhon homogjenizues me ultratinguj me performancë të lartë nga përmasat laboratorike deri te përmasat industriale.