Ultraljud borofensyntes i industriell skala
Borofen, ett tvådimensionellt nanostrukturerat derivat av bor, kan effektivt syntetiseras via en enkel och billig ultraljudsexfoliering. Ultraljud vätskefasexfoliering kan användas för att producera stora mängder högkvalitativa borofennanoark. Ultraljudsexfolieringstekniken används i stor utsträckning för att producera 2D-nanomaterial (t.ex. grafen) och är välkänd för sina fördelar med högkvalitativa nanoark, höga utbyten, snabb och enkel drift samt övergripande effektivitet.
Ultraljud exfoliering metod för borofenberedning
Ultraljudsdriven vätskefasexfoliering används i stor utsträckning för att framställa 2D-nanoark från olika bulkprekursorer inklusive grafit (grafen), bor (borofen) bland andra. Jämfört med den kemiska exfolieringstekniken anses ultraljudsassisterad vätskefasexfoliering vara den mer lovande strategin för att förbereda 0D- och 2D-nanostrukturer som borkvantprickar (BQD) och borofen. (jfr Wang et al., 2021)
Schemat till vänster visar den ultraljudsmässiga lågtemperaturvätskeexfolieringsprocessen för 2D-borofenark med få lager. (Studie och bild: ©Lin et al., 2021.)
Fallstudier av ultraljud borofen exfoliering
Exfoliering och delaminering med hjälp av kraftultraljud i en vätskefasprocess har studerats i stor utsträckning och framgångsrikt tillämpats på borofen och andra borderivat som borkvantprickar, bornitrid eller magnesiumdiborid.
α-borofen
I studien utförd av Göktuna och Taşaltın (2021) framställdes α borofen via en enkel och billig ultraljudsexfoliering. De ultraljudssyntetiserade borofennanoarken uppvisar en α borofenkristallin struktur.
Protokoll: 100 mg bor mikropartiklar sonikerades i 100 ml DMF vid 200 W (t.ex. med hjälp av UP200St med S26d14) i 4 timmar i ett kväve (N2) flödeskontrollerad kabin för att förhindra oxidation under ultraljudsexfoliering i vätskefas. Lösningen av exfolierade borpartiklar centrifugerades med 5000 rpm respektive 12 000 rpm i 15 minuter, sedan samlades borofen försiktigt upp och torkades i vakuum i 4 timmar vid 50 °C. (jfr Göktuna och Taşaltın, 2021)
Borofen i några lager
Zhang et al. (2020) rapporterar en acetonsolvotermisk exfolieringsteknik i vätskefas, som möjliggör produktion av högkvalitativ borofen med stor horisontell storlek. Med hjälp av acetonets svällande effekt fuktades borpulverprekursorn först i aceton. Sedan, den våta bor prekursorn var ytterligare solvotermiskt behandlad i aceton vid 200ºC, följt av ultraljudsbehandling med en sond-typ sonikator vid 225 W i 4 timmar. Borfas med några lager bor och en horisontell storlek upp till 5,05 mm erhölls äntligen. Acetonsolvotermisk assisterad vätskefasexfolieringsteknik kan användas för att framställa bornanoark med stora horisontella storlekar och av hög kvalitet. (jfr Zhang et al., 2020)
När XRD-mönstret av det ultraljudsexfolierade borofenet jämförs med bulkborprekursorn kan ett liknande XRD-mönster observeras. De flesta av de stora diffraktionstopparna kan indexeras till b-romboedrisk bor, vilket tyder på att den kristallina strukturen nästan är bevarad före och efter exfolieringsbehandlingen.
Sonokemisk syntes av borna kvantprickar
Hao et al. (2020) framställde framgångsrikt storskaliga och enhetliga kristallina halvledarborkvantprickar (BQD) från expanderat borpulver i acetonitril, ett mycket polärt organiskt lösningsmedel, med hjälp av en kraftfull ultraljudsapparat av sondtyp (t.ex. UP400St, UIP500hdT eller UIP1000hdT). De syntetiserade borkvantprickarna med en lateral storlek på 2,46 ±0,4 nm och en tjocklek på 2,81 ±0,5 nm.
Protokoll: I en typisk beredning av bor kvantprickar, 30 mg av borpulvret tillsattes först i en trehalsad kolv och sedan 15 ml acetonitril tillsattes i flaskan före ultraljudsprocessen. Exfolieringen utfördes med en uteffekt på 400 W (t.ex. med hjälp av UIP500hdT), 20 kHz frekvens och ultraljudstid på 60 min. För att undvika överhettning av lösningen under ultraljud användes kylning med hjälp av ett isbad eller laboratoriekylare för en konstant temperatur. Den resulterande lösningen centrifugerades vid 1500 rpm i 60 minuter. Supernatanten som innehöll borkvantprickar extraherades försiktigt. Alla experiment utfördes i rumstemperatur. (jfr Hao et al., 2020)
I studien av Wang et al. (2021) förbereder forskaren också borkvantprickar med hjälp av ultraljudstekniken för vätskefasexfoliering. De erhöll monodispersionerad bor kvantprick med en smal storleksfördelning, utmärkt dispergerbarhet, hög stabilitet i IPA-lösning och två-fotofluorescens.
Ultraljud exfoliering av magnesium diborid nanoark
Exfolieringsprocessen utfördes genom att suspendera 450 mg magnesiumdiborid
(MgB2) pulver (ca 100 maskstorlek / 149 mikron) i 150 ml vatten och utsätta det för ultraljud i 30 minuter. Ultraljudsexfolieringen kan utföras med en ultraljudsapparat av sondtyp som t.ex. UP200Ht eller UP400St med en amplitud på 30 % och cykelläge på 10 sek på/av-pulser. Ultraljudsexfolieringen resulterar i en mörk svart suspension. Den svarta färgen kan tillskrivas färgen på det orörda MgB2-pulvret.
Kraftfulla ultraljudsapparater för borofenexfoliering i alla skalor
Hielscher Ultrasonics designar, tillverkar och distribuerar robusta och pålitliga ultraljudsapparater i alla storlekar. Från kompakta ultraljudsenheter för labb till industriella ultraljudssonder och reaktorer, Hielscher har det perfekta ultraljudssystemet för din process. Med lång erfarenhet av tillämpningar som syntes och dispersion av nanomaterial kommer vår välutbildade personal att rekommendera dig den lämpligaste lösningen för yfatbehov. Hielscher industriella ultraljudsprocessorer är kända som pålitliga arbetshästar i industriella anläggningar. Kapabla att leverera mycket höga amplituder, Hielscher ultraljudsapparater är idealiska för högpresterande applikationer såsom borofen eller grafen exfoliering samt nanomaterialdispersioner. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.
All utrustning är designad och tillverkad i vårt huvudkontor i Tyskland. Innan leverans till kunden testas varje ultraljudsenhet noggrant under full belastning. Vi strävar efter kundnöjdhet och vår produktion är strukturerad för att uppfylla högsta kvalitetssäkring (t.ex. ISO-certifiering).
- Hög effektivitet
- Toppmodern teknik
- tillförlitlighet & robusthet
- batch & Inline
- för vilken volym som helst
- Intelligent programvara
- Smarta funktioner (t.ex. dataprotokoll)
- CIP (clean-in-place)
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
---|---|---|
1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur / Referenser
- 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.
Fakta som är värda att veta
borofen
Borofen är ett kristallint atomärt monolager av bor, dvs det är en tvådimensionell allotrop av bor (även kallad bornanoark). Dess unika fysikaliska och kemiska egenskaper gör borofen till ett värdefullt material för många industriella tillämpningar.
Boraphens exceptionella fysikaliska och kemiska egenskaper inkluderar unika mekaniska, termiska, elektroniska, optiska och supraledande aspekter.
Detta öppnar möjligheter att använda borofen för applikationer i alkalimetalljonbatterier, Li-S-batterier, vätgaslagring, superkondensator, syrereduktion och evolution, samt CO2-elektroreduktionsreaktion. Särskilt stort intresse riktas mot borofen som anodmaterial för batterier och som lagringsmaterial för vätgas. På grund av hög teoretisk specifik kapacitet, elektronisk ledningsförmåga och jontransportegenskaper kvalificerar sig borofen som ett utmärkt anodmaterial för batterier. På grund av den höga adsorberionskapaciteten från väte till borofen erbjuder den stor potential för vätgaslagring – med en stroagekapacitet på över 15 % av dess vikt.
Borofen för vätgaslagring
Tvådimensionella (2D) borbaserade material får mycket uppmärksamhet som H2-lagringsmedia på grund av den låga atommassan hos bor och stabiliteten hos dekorerande alkalimetaller på ytan, vilket förbättrar interaktionerna med H2. Tvådimensionella borofennanoark, som lätt kan syntetiseras med hjälp av ultraljudsexfoliering i vätskefas som beskrivs ovan, har visat en god affinitet för olika metalldekorerande atomer, där kluster av metallatomer kan förekomma. Genom att använda en mängd olika metalldekorationer, såsom Li, Na, Ca och Ti på olika borofenpolymorfer, har imponerande H2-gravimetriska densiteter erhållits från 6 till 15 viktprocent, vilket överstiger det amerikanska energidepartementets (DOE) krav på inbyggd lagring på 6,5 viktprocent H2. (jfr Habibi et al., 2021)