การสังเคราะห์ Borophene อัลตราโซนิกในระดับอุตสาหกรรม
โบโรฟีนซึ่งเป็นอนุพันธ์โครงสร้างนาโนสองมิติของโบรอนสามารถสังเคราะห์ได้อย่างมีประสิทธิภาพผ่านการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกที่ง่ายและต้นทุนต่ํา การขัดผิวด้วยคลื่นความถี่ของเหลวอัลตราโซนิกสามารถใช้ในการผลิตแผ่นนาโนโบโรฟีนคุณภาพสูงในปริมาณมาก เทคนิคการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตวัสดุนาโน 2 มิติ (เช่นกราฟีน) และเป็นที่รู้จักกันดีในด้านข้อดีของแผ่นนาโนคุณภาพสูงผลผลิตสูงการทํางานที่รวดเร็วและง่ายตลอดจนประสิทธิภาพโดยรวม
วิธีการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกสําหรับการเตรียม Borophene
การขัดผิวด้วยคลื่นเสียงเป็นของเหลวที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมแผ่นนาโน 2 มิติจากสารตั้งต้นจํานวนมากต่างๆ รวมถึงกราไฟท์ (กราฟีน) โบรอน (โบโรฟีน) เป็นต้น เมื่อเทียบกับเทคนิคการขัดผิวด้วยสารเคมีการขัดผิวด้วยคลื่นลูกด้วยคลื่นเสียงถือเป็นกลยุทธ์ที่มีแนวโน้มมากกว่าในการเตรียมโครงสร้างนาโน 0D และ 2D เช่น โบรอนควอนตัมดอท (BQD) และโบโรฟีน (อ้างอิง Wang et al., 2021)
โครงร่างด้านซ้ายแสดงกระบวนการขัดผิวของเหลวอุณหภูมิต่ําอัลตราโซนิกของแผ่นโบโรฟีนสองสามชั้น 2 มิติ (การศึกษาและภาพ: ©Lin et al., 2021)
เครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีพร้อมกับ โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรม 2000 วัตต์ UIP2000hdT สําหรับการขัดผิวโบโรฟีนขนาดใหญ่
กรณีศึกษาการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิก Borophene
การขัดผิวและการหลุดลอกโดยใช้อัลตราซาวนด์กําลังในกระบวนการเฟสของเหลวได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวางและประสบความสําเร็จในการนําไปใช้กับโบโรฟีนและอนุพันธ์ของโบรอนอื่น ๆ เช่นโบรอนควอนตัมดอทรอยด์โบรอนไนไตรด์หรือแมกนีเซียมไดโบไรด์
α-โบโรฟีน
ในการศึกษาที่ดําเนินการโดย Göktuna และ Taşaltın (2021) α borophene ถูกเตรียมผ่านการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกที่ง่ายและต้นทุนต่ํา แผ่นนาโนโบโรฟีนที่สังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิกมีโครงสร้างผลึกโบโรฟีน α
โปรโตคอล: อนุภาคขนาดเล็กโบรอน 100 มก. ถูก sonicated ใน DMF 100 มล. ที่ 200 W (เช่น ใช้ UP200St กับ S26d14) เป็นเวลา 4 ชั่วโมงในไนโตรเจน (N2) ห้องโดยสารควบคุมการไหลเพื่อป้องกันการเกิดออกซิไดซ์ในระหว่างกระบวนการขัดผิวแบบอัลตราโซนิก สารละลายของอนุภาคโบรอนที่ขัดผิวถูกหมุนเหวี่ยงด้วยความเร็ว 5000 รอบต่อนาทีและ 12,000 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 15 นาทีตามลําดับ จากนั้นเก็บโบโรฟีนอย่างระมัดระวังและทําให้แห้งในสภาพแวดล้อมสุญญากาศเป็นเวลา 4 ชั่วโมงที่ 50ºC (อ้างอิง Göktuna และ Taşaltın, 2021)
ภาพประกอบแผนผังของโบโรฟีนที่มีการผลัดเซลล์ผิวเพียงไม่กี่ชั้นโดยกระบวนการบําบัดด้วยความร้อนแบบอัลตราโซนิกช่วยโพรบ
การศึกษาและรูปภาพ: ©Zhang et al., 2020
โบโรฟีนไม่กี่ชั้น
Zhang et al. (2020) รายงานเทคนิคการขัดผิวด้วยอะซิโตนโซลโวเทอร์มอลเฟสของเหลวซึ่งช่วยให้สามารถผลิตโบโรฟีนคุณภาพสูงที่มีขนาดแนวนอนขนาดใหญ่ได้ การใช้ผลการบวมของอะซิโตนสารตั้งต้นของผงโบรอนถูกทําให้เปียกในอะซิโตนก่อน จากนั้นสารตั้งต้นโบรอนที่เปียกได้รับการบําบัดด้วยความร้อนในอะซิโตนที่ 200ºC ตามด้วยการ sonication ด้วยเครื่อง sonicator แบบโพรบที่ 225 W เป็นเวลา 4 ชั่วโมง ในที่สุดก็ได้โบโรฟีนที่มีโบรอนสองสามชั้นและขนาดแนวนอนสูงถึง 5.05 มม. เทคนิคการขัดผิวเฟสของเหลวช่วยความร้อนของอะซิโตนโซลโวความร้อนสามารถใช้เพื่อเตรียมแผ่นนาโนโบรอนที่มีขนาดแนวนอนขนาดใหญ่และมีคุณภาพสูง (อ้างอิง Zhang et al., 2020)
เมื่อเปรียบเทียบรูปแบบ XRD ของโบโรฟีนที่ขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกกับสารตั้งต้นโบรอนจํานวนมาก จะสังเกตเห็นรูปแบบ XRD ที่คล้ายคลึงกัน จุดสูงสุดของการเลี้ยวเบนที่สําคัญส่วนใหญ่สามารถจัดทําดัชนีเป็นโบรอน b-rhombohedral ซึ่งบ่งชี้ว่าโครงสร้างผลึกเกือบจะอนุรักษ์ไว้ก่อนและหลังการรักษาด้วยการขัดผิว
ภาพ SEM ที่มีความละเอียดต่ํา (a) และความละเอียดสูง (b) ของโบโรฟีนที่มีเพียงไม่กี่ชั้นที่ได้จากการขัดผิวด้วยคลื่นเสียงโซโลโวความร้อนในอะซิโตน
การศึกษาและรูปภาพ: ©Zhang et al., 2020
รูปแบบ XRD (a) และสเปกตรัมรามัน (b) ของโบรอนและโบโรฟีนจํานวนมากที่ไม่ผ่านการบําบัดโดยมีเพียงไม่กี่ชั้นที่ได้จากการขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกช่วย
การศึกษาและรูปภาพ: ©Zhang et al., 2020
การสังเคราะห์โซโนเคมีของโบรอนควอนตัมดอท
Hao et al. (2020) ประสบความสําเร็จในการเตรียมพอยต์ควอนตัมโบรอนเซมิคอนดักเตอร์ผลึกขนาดใหญ่และสม่ําเสมอ (BQDs) จากผงโบรอนที่ขยายตัวในอะซิโทไนไตรล์ ซึ่งเป็นตัวทําละลายอินทรีย์ที่มีขั้วสูง โดยใช้เครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบที่ทรงพลัง (เช่น UP400ST, UIP500hdT หรือ ยูไอพี 1000hdT). จุดควอนตัมโบรอนสังเคราะห์ที่มีขนาดด้านข้าง 2.46 ±0.4 นาโนเมตร และความหนา 2.81 ±0.5 นาโนเมตร
โปรโตคอล: ในการเตรียมจุดควอนตัมโบรอนโดยทั่วไปผงโบรอน 30 มก. จะถูกเติมลงในขวดสามคอก่อนจากนั้นเติมอะซิโทไนไตรล์ 15 มล. ลงในขวดก่อนกระบวนการอัลตราโซนิก การขัดผิวดําเนินการที่กําลังขับ 400 W (เช่น ใช้ UIP500hdT) ความถี่ 20kHz และเวลาอัลตราโซนิก 60 นาที เพื่อหลีกเลี่ยงความร้อนสูงเกินไปของสารละลายในระหว่างอัลตราโซนิกการระบายความร้อนโดยใช้อ่างน้ําแข็งหรือเครื่องทําความเย็นในห้องปฏิบัติการถูกนําไปใช้สําหรับอุณหภูมิคงที่ สารละลายที่ได้ถูกหมุนเหวี่ยงที่ 1500 รอบต่อนาทีเป็นเวลา 60 นาที ส่วนเหนือน้ําที่มีจุดควอนตัมโบรอนถูกสกัดออกมาอย่างนุ่มนวล การทดลองทั้งหมดดําเนินการที่อุณหภูมิห้อง (อ้างอิง Hao et al., 2020)
ในการศึกษาของ Wang et al. (2021) นักวิจัยเตรียมจุดควอนตัมโบรอนโดยใช้เทคนิคการขัดผิวเฟสของเหลวอัลตราโซนิกด้วย พวกเขาได้รับจุดควอนตัมโบรอนแบบกระจายตัวเดียวที่มีการกระจายขนาดแคบ การกระจายตัวที่ดีเยี่ยม ความเสถียรสูงในสารละลาย IPA และการเรืองแสงสองภาพ
ภาพ TEM และการกระจายเส้นผ่านศูนย์กลางที่สอดคล้องกันของ BQD ที่เตรียมไว้ภายใต้สภาวะอัลตราโซนิกที่แตกต่างกัน (a) ภาพ TEM ของ BQDs-2 ที่สังเคราะห์ที่ 400 W เป็นเวลา 2 ชั่วโมง (b) ภาพ TEM ของ BQDs-3 ที่สังเคราะห์ที่ 550 W เป็นเวลา 1 ชั่วโมง (c) ภาพ TEM ของ BQDs-3 ที่สังเคราะห์ที่ 400 W เป็นเวลา 4 ชั่วโมง (d) การกระจายเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดควอนตัมที่ได้มาจาก (a) (จ) การกระจายเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดควอนตัมที่ได้มาจาก (ข) (f) การกระจายเส้นผ่านศูนย์กลางของจุดควอนตัมที่ได้มาจาก (c)
การศึกษาและรูปภาพ: ©Hao et al., 2020
การขัดผิวอัลตราโซนิกของแผ่นนาโนแมกนีเซียมไดโบไรด์
กระบวนการขัดผิวดําเนินการโดยการระงับแมกนีเซียมไดโบไรด์ 450 มก.
(มก.2) ผง (ประมาณ ขนาดตาข่าย 100 / 149 ไมครอน) ในน้ํา 150 มล. และสัมผัสกับอัลตราโซนิกเป็นเวลา 30 นาที การขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกสามารถทําได้ด้วยเครื่องอัลตราโซนิกชนิดโพรบเช่น UP200 ฮิต หรือ UP400ST ด้วยแอมพลิจูด 30% และโหมดรอบ 10 วินาทีเปิด/ปิดพัลส์ การขัดผิวด้วยอัลตราโซนิกส่งผลให้เกิดสารแขวนคอสีดําเข้ม สีดําสามารถนํามาประกอบกับสีของผง MgB2 ที่บริสุทธิ์
ลําดับความเร็วสูง (จาก a ถึง f) ของเฟรมที่แสดงให้เห็นถึงการขัดผิวแบบกลไกของเกล็ดกราไฟท์ในน้ําโดยใช้ UP200S เครื่องอัลตราโซนิก 200W พร้อม sonotrode 3 มม. ลูกศรแสดงตําแหน่งของการแยก (การขัดผิว) โดยมีฟองอากาศที่แทรกซึมเข้าไปในการแยก
© Tyurnina และคณะ 2020
เครื่องอัลตราโซนิกที่มีประสิทธิภาพสําหรับการขัดผิว Borophene ในทุกขนาด
Hielscher Ultrasonics ออกแบบผลิตและจัดจําหน่ายเครื่องอัลตราโซนิกที่แข็งแกร่งและเชื่อถือได้ในทุกขนาด ตั้งแต่อุปกรณ์อัลตราโซนิกในห้องปฏิบัติการขนาดกะทัดรัดไปจนถึงโพรบอัลตราโซนิกอุตสาหกรรมและเครื่องปฏิกรณ์ Hielscher มีระบบอัลตราโซนิกที่เหมาะสําหรับกระบวนการของคุณ ด้วยประสบการณ์อันยาวนานในการใช้งานเช่นการสังเคราะห์และการกระจายตัวของวัสดุนาโนพนักงานที่ผ่านการฝึกอบรมมาเป็นอย่างดีของเราจะแนะนําการตั้งค่าที่เหมาะสมที่สุดสําหรับความต้องการ โปรเซสเซอร์อัลตราโซนิกอุตสาหกรรม Hielscher เป็นที่รู้จักกันว่าเป็นม้าทํางานที่เชื่อถือได้ในโรงงานอุตสาหกรรม สามารถให้แอมพลิจูดที่สูงมากเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เหมาะอย่างยิ่งสําหรับการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูงเช่นการขัดผิวแบบโบโรฟีนหรือกราฟีนตลอดจนการกระจายตัวของวัสดุนาโน แอมพลิจูดสูงถึง 200μm สามารถทํางานต่อเนื่องได้อย่างง่ายดายในการทํางานตลอด 24 ชั่วโมงทุกวัน สําหรับแอมพลิจูดที่สูงขึ้นมี sonotrodes อัลตราโซนิกแบบกําหนดเอง
อุปกรณ์ทั้งหมดได้รับการออกแบบและผลิตในสํานักงานใหญ่ของเราในประเทศเยอรมนี ก่อนส่งมอบให้กับลูกค้าอุปกรณ์อัลตราโซนิกทุกชิ้นได้รับการทดสอบอย่างรอบคอบภายใต้ภาระเต็มที่ เรามุ่งมั่นเพื่อความพึงพอใจของลูกค้า และการผลิตของเรามีโครงสร้างเพื่อให้เป็นไปตามการประกันคุณภาพสูงสุด (เช่น การรับรองมาตรฐาน ISO)
- ประสิทธิภาพสูง
- เทคโนโลยีล้ําสมัย
- ความน่าเชื่อถือ & กําลังกาย
- ชุด & แบบ อิน ไลน์
- สําหรับทุกโวลุ่ม
- ซอฟต์แวร์อัจฉริยะ
- คุณสมบัติอัจฉริยะ (เช่น โปรโตคอลข้อมูล)
- CIP (ทําความสะอาดในสถานที่)
ตารางด้านล่างให้ข้อบ่งชี้ถึงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราโซนิกของเรา:
| ปริมาณแบทช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนํา |
|---|---|---|
| 1 ถึง 500 มล. | 10 ถึง 200 มล. / นาที | UP100H |
| 10 ถึง 2000 มล. | 20 ถึง 400 มล. / นาที | UP200 ฮิต, UP400ST |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L / นาที | UIP2000hdt |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L / นาที | UIP4000hdT |
| ไม่ | 10 ถึง 100L / นาที | UIP16000 |
| ไม่ | ขนาด ใหญ่ | คลัสเตอร์ของ UIP16000 |
ติดต่อเรา! / ถามเรา!
Hielscher Ultrasonics ผลิตโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงสําหรับการใช้งานผสมการกระจายอิมัลชันและการสกัดในระดับห้องปฏิบัติการนําร่องและอุตสาหกรรม
วรรณกรรม / อ้างอิง
- 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.
ข้อเท็จจริงที่ควรค่าแก่การรู้
โบโรฟีน
โบโรฟีนเป็นผลึกอะตอมเดี่ยวเลเยอร์ของโบรอนกล่าวคือ เป็นอัลโลโทรปสองมิติของโบรอน (เรียกอีกอย่างว่าแผ่นนาโนโบรอน) ลักษณะทางกายภาพและทางเคมีที่เป็นเอกลักษณ์ทําให้โบโรฟีนกลายเป็นวัสดุที่มีคุณค่าสําหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมจํานวนมาก
คุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีที่ยอดเยี่ยมของ Borophene รวมถึงแง่มุมทางกล ความร้อน อิเล็กทรอนิกส์ ออปติคัล และตัวนํายิ่งยวดที่เป็นเอกลักษณ์
สิ่งนี้เปิดโอกาสในการใช้โบโรฟีนสําหรับการใช้งานในแบตเตอรี่อัลคาไลเมทัลไอออน, แบตเตอรี่ Li-S, การจัดเก็บไฮโดรเจน, ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์, การลดออกซิเจนและวิวัฒนาการตลอดจนปฏิกิริยาลดด้วยไฟฟ้าของ CO2 ความสนใจสูงเป็นพิเศษเข้าสู่โบโรฟีนเป็นวัสดุขั้วบวกสําหรับแบตเตอรี่และเป็นวัสดุกักเก็บไฮโดรเจน เนื่องจากความจุเฉพาะทางทฤษฎีสูงการนําไฟฟ้าและคุณสมบัติการขนส่งไอออนโบโรฟีนจึงมีคุณสมบัติเป็นวัสดุแอโนดที่ยอดเยี่ยมสําหรับแบตเตอรี่ เนื่องจากความสามารถในการดูดซับไฮโดรเจนไปยังโบโรฟีนสูง จึงมีศักยภาพสูงในการจัดเก็บไฮโดรเจน โดยมีความสามารถในการเก็บไฮโดรเจนมากกว่า 15% ของน้ําหนัก
โบโรฟีนสําหรับการจัดเก็บไฮโดรเจน
วัสดุที่ทําจากโบรอนสองมิติ (2D) ได้รับความสนใจอย่างมากในฐานะสื่อเก็บ H2 เนื่องจากมวลอะตอมของโบรอนต่ําและความเสถียรของการตกแต่งโลหะอัลคาไลบนพื้นผิว ซึ่งช่วยเพิ่มปฏิสัมพันธ์กับ H2 แผ่นนาโนโบโรฟีนสองมิติซึ่งสามารถสังเคราะห์ได้ง่ายโดยใช้การขัดผิวแบบอัลตราโซนิกเฟสของเหลวตามที่อธิบายไว้ข้างต้นได้แสดงให้เห็นถึงความสัมพันธ์ที่ดีสําหรับอะตอมตกแต่งโลหะที่แตกต่างกันซึ่งสามารถเกิดขึ้นได้กับการรวมกลุ่มของอะตอมโลหะ การใช้การตกแต่งโลหะที่หลากหลาย เช่น Li, Na, Ca และ Ti บนโพลีมอร์ฟแบบโบโรฟีนต่างๆ ทําให้ได้รับความหนาแน่นของกราวิเมตริก H2 ที่น่าประทับใจตั้งแต่ 6 ถึง 15 wt % ซึ่งเกินข้อกําหนดของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ (DOE) สําหรับการจัดเก็บบนเครื่องที่ 6.5wt% H2 (อ้างอิง Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics ผลิตโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงจาก ห้องทดลอง ถึง ขนาดอุตสาหกรรม