Ultraljudssyntes av borofen i industriell skala

Borofen, ett tvådimensionellt nanostrukturerat derivat av bor, kan syntetiseras effektivt genom enkel och kostnadseffektiv ultraljudsexfoliering. Ultraljudsexfoliering i vätskefas kan användas för att producera stora mängder högkvalitativa nanoskikt av borofen. Ultraljudsexfoliering används i stor utsträckning för att producera 2D-nanomaterial (t.ex. grafen) och är välkänd för sina fördelar i form av högkvalitativa nanoskikt, högt utbyte, snabb och enkel hantering samt hög total effektivitet.

Ultraljudsexfoliering som metod för framställning av borofen

Ultraljudsdriven exfoliering i vätskefas används i stor utsträckning för att framställa 2D-nanoskikt från olika utgångsmaterial i bulkform, däribland grafit (grafen) och bor (borofen). Jämfört med kemisk exfoliering anses ultraljudsassisterad exfoliering i vätskefas vara den mer lovande strategin för att framställa 0D- och 2D-nanostrukturer såsom borkvantprickar (BQDs) och borofen. (jfr Wang et al., 2021)
Schemat till vänster visar processen för ultraljudsexfoliering i vätska vid låg temperatur av tvådimensionella borofenskikt med få lager. (Studie och bild: ©Lin et al., 2021.)

Fallstudier av ultraljudsexfoliering av borofen

Exfoliering och delaminering med högeffektultraljud i en vätskefasprocess har studerats ingående och tillämpats framgångsrikt på borofen och andra borderivat såsom borkvantprickar, bornitrid och magnesiumdiborid.

α-borofen

I studien av Göktuna och Taşaltın (2021) framställdes α-borofen genom enkel och kostnadseffektiv ultraljudsexfoliering. De ultraljudssyntetiserade nanoskikten av borofen uppvisar en kristallstruktur av α-borofen.
Protokoll: 100 mg mikropartiklar av bor ultraljudsbehandlades i 100 ml DMF vid 200 W (t.ex. med UP200St med S26d14) under 4h i en kammare med reglerat flöde av kväve (N₂) för att förhindra oxidation under ultraljudsexfolieringen i vätskefas. Lösningen med exfolierade borpartiklar centrifugerades vid 5000 rpm respektive 12 000 rpm i 15 min vardera, varefter borofenet försiktigt samlades upp och torkades i vakuum under 4h vid 50ºC. (jfr Göktuna och Taşaltın, 2021)

Schematisk illustration av borofen med få lager som exfolierats genom en solvotermisk behandlingsprocess assisterad av ultraljud med sond.
Studie och bild: ©Zhang et al., 2020

Borofen med få lager

Zhang et al. (2020) beskriver en teknik för solvotermisk exfoliering i vätskefas med aceton, som möjliggör produktion av högkvalitativt borofen med stor lateral utsträckning. Genom att utnyttja acetonets svällningseffekt vättes först utgångsmaterialet borpulver i aceton. Därefter behandlades det vätta utgångsmaterialet av bor ytterligare solvotermiskt i aceton vid 200ºC, följt av ultraljudsbehandling med en ultraljudssond vid 225 W under 4h. Slutligen erhölls borofen med ett fåtal lager av bor och en lateral utsträckning på upp till 5,05 mm. Tekniken för solvotermiskt assisterad exfoliering i vätskefas med aceton kan användas för att framställa högkvalitativa nanoskikt av bor med stor lateral utsträckning. (jfr Zhang et al., 2020)
När XRD-mönstret för det ultraljudsexfolierade borofenet jämförs med utgångsmaterialet bor i bulkform kan ett liknande XRD-mönster observeras. De flesta av de huvudsakliga diffraktionstopparna kan indexeras till b-romboedriskt bor, vilket tyder på att kristallstrukturen är nästan oförändrad före och efter exfolieringsbehandlingen.

SEM-bilder med låg upplösning (a) och hög upplösning (b) av borofen med få lager som erhållits genom ultraljudsassisterad solvotermisk exfoliering i aceton
Studie och bild: ©Zhang et al., 2020

XRD-mönster (a) och Ramanspektra (b) för obehandlat bor i bulkform och borofen med få lager som erhållits genom solvotermisk exfoliering assisterad av ultraljud med sond.
Studie och bild: ©Zhang et al., 2020

Sonokemisk syntes av borkvantprickar

Hao et al. (2020) framställde framgångsrikt enhetliga kristallina halvledande borkvantprickar (BQDs) i stor skala från expanderat borpulver i acetonitril, ett starkt polärt organiskt lösningsmedel, med hjälp av en kraftfull ultraljudsapparat av sondtyp (t.ex. UP400St, UIP500hdT eller UIP1000hdT). De syntetiserade borkvantprickarna hade en lateral storlek på 2,46 ±0,4 nm och en tjocklek på 2,81 ±0,5 nm.
Protokoll: Vid en typisk framställning av borkvantprickar tillsattes först 30 mg av borpulvret i en trehalsad kolv och därefter tillsattes 15 mL acetonitril i kolven före ultraljudsbehandlingen. Exfolieringen utfördes vid en uteffekt på 400 W (t.ex. med UIP500hdT), en frekvens på 20kHz och en ultraljudsbehandlingstid på 60 min. För att undvika överhettning av lösningen under ultraljudsbehandlingen användes kylning med ett isbad eller en laboratoriekylare för att hålla temperaturen konstant. Den resulterande lösningen centrifugerades vid 1500 rpm i 60 min. Supernatanten som innehöll borkvantprickar togs försiktigt ut. Alla experiment utfördes vid rumstemperatur. (jfr Hao et al., 2020)
I studien av Wang et al. (2021) framställde forskarna också borkvantprickar med hjälp av ultraljudsexfoliering i vätskefas. De erhöll monodispersa borkvantprickar med en snäv storleksfördelning, utmärkt dispergerbarhet, hög stabilitet i IPA-lösning och tvåfotonfluorescens.

TEM-bilder och motsvarande diameterfördelning för de BQDs som framställts under olika ultraljudsbetingelser. (a) TEM-bild av BQDs-2 syntetiserade vid 400 W i 2 h. (b) TEM-bild av BQDs-3 syntetiserade vid 550 W i 1 h. (c) TEM-bild av BQDs-3 syntetiserade vid 400 W i 4 h. (d) Diameterfördelning för kvantprickarna från (a). (e) Diameterfördelning för kvantprickarna från (b). (f) Diameterfördelning för kvantprickarna från (c).
Studie och bild: ©Hao et al., 2020

Ultraljudsexfoliering av nanoflak av magnesiumdiborid

Exfolieringen utfördes genom att suspendera 450mg magnesiumdiborid
(MgB₂) i pulverform (cirka 100 mesh / 149 mikrometer) i 150 ml vatten och utsätta det för ultraljudsbehandling i 30 minuter. Ultraljudsexfolieringen kan utföras med en ultraljudsapparat av sondtyp, såsom UP200Ht eller UP400St med en amplitud på 30% och cyklisk drift med 10sec på/av-pulser. Ultraljudsexfolieringen resulterar i en mörkt svart suspension. Den svarta färgen kan tillskrivas färgen hos det ursprungliga MgB2-pulvret.

En höghastighetssekvens av bildrutor (från a till f) som illustrerar sonomekanisk exfoliering av ett grafitflak i vatten med hjälp av UP200S, en ultraljudsapparat på 200W med en 3mm sonotrod. Pilarna visar var spjälkningen (exfolieringen) sker, med kavitationsbubblor som tränger in i sprickan.
© Tyurnina et al. 2020

Kraftfulla ultraljudsapparater för exfoliering av borofen i alla skalor

Hielscher Ultrasonics konstruerar, tillverkar och distribuerar robusta och tillförlitliga ultraljudsapparater i alla storlekar. Från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier till industriella ultraljudssonder och reaktorer har Hielscher det idealiska ultraljudssystemet för din process. Med lång erfarenhet av tillämpningar som syntes och dispergering av nanomaterial rekommenderar vår välutbildade personal den lämpligaste utrustningskonfigurationen för dina krav. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer är kända som tillförlitliga arbetshästar i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater kan leverera mycket höga amplituder och är idealiska för högpresterande tillämpningar som exfoliering av borofen eller grafen samt dispergering av nanomaterial. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.
All utrustning konstrueras och tillverkas vid vårt huvudkontor i Tyskland. Före leverans till kunden testas varje ultraljudsapparat noggrant under full belastning. Vi strävar efter kundnöjdhet och vår produktion är organiserad för att uppfylla de högsta kraven på kvalitetssäkring (t.ex. ISO-certifiering).

Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: