การสังเคราะห์โบโรฟีนด้วยอัลตราซาวนด์ในระดับอุตสาหกรรม
โบโรฟีน ซึ่งเป็นอนุพันธ์ของโบรอนที่มีโครงสร้างนาโนแบบสองมิติ สามารถสังเคราะห์ได้อย่างมีประสิทธิภาพด้วยการลอกแยกชั้นโดยใช้อัลตราซาวนด์ที่ทำได้ง่ายและมีต้นทุนต่ำ การลอกแยกชั้นในเฟสของเหลวด้วยอัลตราซาวนด์สามารถใช้ผลิตแผ่นนาโนโบโรฟีนคุณภาพสูงในปริมาณมากได้ เทคนิคการลอกแยกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตวัสดุนาโน 2 มิติ (เช่น กราฟีน) และเป็นที่รู้จักกันดีในด้านข้อดี ได้แก่ แผ่นนาโนคุณภาพสูง ผลได้สูง การดำเนินงานที่รวดเร็วและง่าย รวมถึงประสิทธิภาพโดยรวม
วิธีการลอกแยกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์เพื่อเตรียมโบโรฟีน
การลอกแยกชั้นในเฟสของเหลวที่ขับเคลื่อนด้วยอัลตราซาวนด์ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมแผ่นนาโน 2 มิติจากสารตั้งต้นแบบมวลรวมหลากหลายชนิด รวมถึงแกรไฟต์ (กราฟีน) และโบรอน (โบโรฟีน) เป็นต้น เมื่อเปรียบเทียบกับเทคนิคการลอกแยกชั้นทางเคมี การลอกแยกชั้นในเฟสของเหลวโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วยถือเป็นแนวทางที่มีศักยภาพมากกว่าในการเตรียมโครงสร้างนาโน 0 มิติและ 2 มิติ เช่น ควอนตัมดอตโบรอน (BQDs) และโบโรฟีน (ดู Wang et al., 2021)
แผนภาพทางซ้ายแสดงกระบวนการลอกแยกชั้นในของเหลวที่อุณหภูมิต่ำด้วยอัลตราซาวนด์เพื่อให้ได้แผ่นโบโรฟีน 2 มิติที่มีชั้นจำนวนน้อย (การศึกษาและภาพ: ©Lin et al., 2021.)
เครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีที่ติดตั้ง เครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์อุตสาหกรรม UIP2000hdT ขนาด 2000 วัตต์ สำหรับการลอกแยกชั้นโบโรฟีนในระดับการผลิตขนาดใหญ่
กรณีศึกษาการลอกแยกชั้นโบโรฟีนด้วยอัลตราซาวนด์
การลอกแยกชั้นและการแยกชั้นโดยใช้อัลตราซาวนด์กำลังสูงในกระบวนการเฟสของเหลวได้รับการศึกษาอย่างแพร่หลาย และนำไปใช้กับโบโรฟีนและอนุพันธ์อื่น ๆ ของโบรอนได้สำเร็จ เช่น ควอนตัมดอตโบรอน โบรอนไนไตรด์ หรือแมกนีเซียมไดโบไรด์
α-โบโรฟีน
ในการศึกษาของ Göktuna และ Taşaltın (2021) ได้เตรียม α-โบโรฟีนด้วยการลอกแยกชั้นโดยใช้อัลตราซาวนด์ที่ทำได้ง่ายและมีต้นทุนต่ำ แผ่นนาโนโบโรฟีนที่สังเคราะห์ด้วยอัลตราซาวนด์มีโครงสร้างผลึกแบบ α-โบโรฟีน
ขั้นตอน: อนุภาคโบรอนระดับไมโครปริมาณ 100 mg ถูกให้คลื่นอัลตราซาวนด์ใน DMF ปริมาตร 100 ml ที่กำลัง 200 W (เช่น ใช้ UP200St ร่วมกับ S26d14) เป็นเวลา 4h ภายในห้องที่ควบคุมการไหลของไนโตรเจน (N2) เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชันระหว่างกระบวนการลอกแยกชั้นในเฟสของเหลวด้วยอัลตราซาวนด์ สารละลายที่มีอนุภาคโบรอนซึ่งลอกแยกชั้นแล้วถูกปั่นเหวี่ยงที่ 5000 rpm และ 12,000 rpm เป็นเวลา 15 min ที่แต่ละความเร็วตามลำดับ จากนั้นเก็บโบโรฟีนอย่างระมัดระวังและทำให้แห้งในสภาวะสุญญากาศเป็นเวลา 4h ที่ 50ºC (ดู Göktuna and Taşaltın, 2021)
ภาพแผนผังของโบโรฟีนที่มีชั้นจำนวนน้อย ซึ่งลอกแยกชั้นด้วยกระบวนการบำบัดแบบโซลโวเทอร์มอลโดยใช้อัลตราซาวนด์ชนิดโพรบช่วย
การศึกษาและภาพ: ©Zhang et al., 2020
โบโรฟีนที่มีชั้นจำนวนน้อย
Zhang et al. (2020) รายงานเทคนิคการลอกแยกชั้นในเฟสของเหลวแบบโซลโวเทอร์มอลโดยใช้อะซีโตน ซึ่งช่วยให้ผลิตโบโรฟีนคุณภาพสูงที่มีขนาดใหญ่ในแนวระนาบได้ โดยใช้ผลการทำให้บวมของอะซีโตน เริ่มจากทำให้สารตั้งต้นที่เป็นผงโบรอนเปียกในอะซีโตน จากนั้นนำสารตั้งต้นโบรอนที่เปียกแล้วไปบำบัดต่อแบบโซลโวเทอร์มอลในอะซีโตนที่ 200ºC ตามด้วยการให้คลื่นอัลตราซาวนด์โดยใช้เครื่องชนิดโพรบที่กำลัง 225 W เป็นเวลา 4h ในที่สุดได้โบโรฟีนที่มีโบรอนเพียงไม่กี่ชั้นและมีขนาดในแนวระนาบสูงถึง 5.05 mm เทคนิคการลอกแยกชั้นในเฟสของเหลวโดยใช้กระบวนการโซลโวเทอร์มอลในอะซีโตนช่วย สามารถใช้เตรียมแผ่นนาโนโบรอนที่มีขนาดใหญ่ในแนวระนาบและมีคุณภาพสูงได้ (ดู Zhang et al., 2020)
เมื่อเปรียบเทียบรูปแบบ XRD ของโบโรฟีนที่ลอกแยกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์กับสารตั้งต้นโบรอนแบบมวลรวม จะพบรูปแบบ XRD ที่คล้ายกัน พีคการเลี้ยวเบนหลักส่วนใหญ่สามารถกำหนดดัชนีให้ตรงกับโบรอนแบบ b-rhombohedral ได้ ซึ่งบ่งชี้ว่าโครงสร้างผลึกยังคงอยู่เกือบทั้งหมดทั้งก่อนและหลังการบำบัดเพื่อลอกแยกชั้น
ภาพ SEM ความละเอียดต่ำ (a) และความละเอียดสูง (b) ของโบโรฟีนที่มีชั้นจำนวนน้อย ซึ่งได้จากการลอกแยกชั้นแบบโซลโวเทอร์มอลในอะซีโตนโดยใช้อัลตราซาวนด์ช่วย
การศึกษาและภาพ: ©Zhang et al., 2020
รูปแบบ XRD (a) และสเปกตรัมรามาน (b) ของโบรอนแบบมวลรวมที่ไม่ผ่านการบำบัดและโบโรฟีนที่มีชั้นจำนวนน้อย ซึ่งได้จากการลอกแยกชั้นแบบโซลโวเทอร์มอลโดยใช้อัลตราซาวนด์ชนิดโพรบช่วย
การศึกษาและภาพ: ©Zhang et al., 2020
การสังเคราะห์ควอนตัมดอตโบรอนด้วยโซโนเคมี
Hao et al. (2020) ประสบความสำเร็จในการเตรียมควอนตัมดอตโบรอน (BQDs) ที่เป็นสารกึ่งตัวนำแบบผลึกและมีความสม่ำเสมอในระดับการผลิตขนาดใหญ่ จากผงโบรอนที่ขยายตัวแล้วในอะซีโตไนไตรล์ ซึ่งเป็นตัวทำละลายอินทรีย์ที่มีขั้วสูง โดยใช้เครื่องอัลตราซาวนด์ชนิดโพรบกำลังสูง (เช่น UP400St, UIP500hdT หรือ UIP1000hdT) ควอนตัมดอตโบรอนที่สังเคราะห์ได้มีขนาดในแนวระนาบ 2.46 ±0.4 nm และความหนา 2.81 ±0.5 nm
ขั้นตอน: ในการเตรียมควอนตัมดอตโบรอนโดยทั่วไป เริ่มจากเติมผงโบรอน 30 mg ลงในขวดสามคอ แล้วเติมอะซีโตไนไตรล์ 15 mL ลงในขวดก่อนกระบวนการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ การลอกแยกชั้นดำเนินการที่กำลังขาออก 400 W (เช่น ใช้ UIP500hdT) ความถี่ 20kHz และระยะเวลาให้คลื่นอัลตราซาวนด์ 60 min เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้สารละลายร้อนเกินไประหว่างการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ จึงใช้การหล่อเย็นด้วยอ่างน้ำแข็งหรือเครื่องทำความเย็นสำหรับห้องปฏิบัติการเพื่อรักษาอุณหภูมิให้คงที่ สารละลายที่ได้ถูกปั่นเหวี่ยงที่ 1500 rpm เป็นเวลา 60 min จากนั้นแยกของเหลวส่วนใสที่มีควอนตัมดอตโบรอนออกอย่างระมัดระวัง การทดลองทั้งหมดดำเนินการที่อุณหภูมิห้อง (ดู Hao et al., 2020)
ในการศึกษาของ Wang et al. (2021) นักวิจัยได้เตรียมควอนตัมดอตโบรอนโดยใช้เทคนิคการลอกแยกชั้นในเฟสของเหลวด้วยอัลตราซาวนด์เช่นกัน โดยได้ควอนตัมดอตโบรอนแบบกระจายตัวขนาดเดียวที่มีการกระจายขนาดแคบ ความสามารถในการกระจายตัวดีเยี่ยม ความเสถียรสูงในสารละลาย IPA และการเรืองแสงแบบ “two-photo”
ภาพ TEM และการกระจายของเส้นผ่านศูนย์กลางที่สอดคล้องกันของ BQDs ที่เตรียมภายใต้สภาวะอัลตราซาวนด์ต่างกัน (a) ภาพ TEM ของ BQDs-2 ที่สังเคราะห์ที่ 400 W เป็นเวลา 2 h (b) ภาพ TEM ของ BQDs-3 ที่สังเคราะห์ที่ 550 W เป็นเวลา 1 h (c) ภาพ TEM ของ BQDs-3 ที่สังเคราะห์ที่ 400 W เป็นเวลา 4 h (d) การกระจายของเส้นผ่านศูนย์กลางควอนตัมดอตที่ได้จาก (a) (e) การกระจายของเส้นผ่านศูนย์กลางควอนตัมดอตที่ได้จาก (b) (f) การกระจายของเส้นผ่านศูนย์กลางควอนตัมดอตที่ได้จาก (c)
การศึกษาและภาพ: ©Hao et al., 2020
การลอกแยกชั้นแผ่นนาโนแมกนีเซียมไดโบไรด์ด้วยอัลตราซาวนด์
กระบวนการลอกแยกชั้นดำเนินการโดยทำให้ผงแมกนีเซียมไดโบไรด์ปริมาณ 450mg
(MgB2) (ขนาดประมาณ 100 เมช / 149 ไมโครเมตร) แขวนลอยในน้ำ 150 ml และให้คลื่นอัลตราซาวนด์เป็นเวลา 30 นาที การลอกแยกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์สามารถดำเนินการด้วยเครื่องอัลตราซาวนด์ชนิดโพรบ เช่น UP200Ht หรือ UP400St ที่แอมพลิจูด 30% และโหมดรอบการทำงานแบบพัลส์เปิด/ปิด 10sec การลอกแยกชั้นด้วยอัลตราซาวนด์ทำให้ได้สารแขวนลอยสีดำเข้ม สีดำนี้อาจเกิดจากสีของผง MgB2 ดั้งเดิม
ลำดับภาพความเร็วสูง (จาก a ถึง f) ที่แสดงการลอกแยกชั้นเกล็ดแกรไฟต์ในน้ำด้วยกลไกเชิงกลจากอัลตราซาวนด์ โดยใช้ UP200S ซึ่งเป็นเครื่องอัลตราซาวนด์ขนาด 200W ร่วมกับโซโนโทรดขนาด 3mm ลูกศรแสดงตำแหน่งที่แยกออก (ลอกแยกชั้น) โดยมีฟองคาวิเทชันแทรกเข้าไปในรอยแยก
© Tyurnina et al. 2020
เครื่องอัลตราซาวนด์กำลังสูงสำหรับการลอกแยกชั้นโบโรฟีนในทุกระดับการผลิต
Hielscher Ultrasonics ออกแบบ ผลิต และจัดจำหน่ายเครื่องอัลตราซาวนด์ที่แข็งแรงทนทานและเชื่อถือได้ในทุกขนาด ตั้งแต่อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ขนาดกะทัดรัดสำหรับห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงโพรบและเครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์สำหรับอุตสาหกรรม Hielscher มีระบบอัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับกระบวนการของคุณ ด้วยประสบการณ์อันยาวนานในการใช้งานต่าง ๆ เช่น การสังเคราะห์และการกระจายตัวของวัสดุนาโน บุคลากรที่ผ่านการฝึกอบรมอย่างดีของเราจะแนะนำชุดอุปกรณ์ที่เหมาะสมที่สุดกับความต้องการของคุณ เครื่องประมวลผลอัลตราซาวนด์อุตสาหกรรมของ Hielscher เป็นที่รู้จักในฐานะเครื่องจักรที่ทำงานหนักได้อย่างเชื่อถือได้ในโรงงานอุตสาหกรรม ด้วยความสามารถในการให้แอมพลิจูดสูงมาก เครื่องอัลตราซาวนด์ของ Hielscher จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับงานที่ต้องการสมรรถนะสูง เช่น การลอกแยกชั้นโบโรฟีนหรือกราฟีน รวมถึงการกระจายตัวของวัสดุนาโน สามารถเดินเครื่องต่อเนื่องที่แอมพลิจูดสูงถึง 200µm ได้อย่างง่ายดายตลอด 24/7 สำหรับแอมพลิจูดที่สูงยิ่งขึ้น มีโซโนโทรดอัลตราซาวนด์ที่ผลิตตามความต้องการให้เลือกใช้
เครื่องอัลตราซาวนด์และอุปกรณ์เสริมทั้งหมดของ Hielscher ออกแบบและผลิตที่สำนักงานใหญ่ในประเทศเยอรมนี ก่อนส่งมอบให้ลูกค้า อุปกรณ์อัลตราซาวนด์ทุกเครื่องได้รับการทดสอบอย่างละเอียดภายใต้ภาระเต็มกำลัง เรามุ่งมั่นสร้างความพึงพอใจให้ลูกค้า และจัดระบบการผลิตของเราเพื่อให้เป็นไปตามการประกันคุณภาพระดับสูงสุด (เช่น การรับรอง ISO)
- ประสิทธิภาพสูง
- เทคโนโลยีล้ำสมัย
- ความเชื่อถือได้และความแข็งแรงทนทาน
- แบบแบตช์และแบบอินไลน์
- สำหรับทุกปริมาตร
- ซอฟต์แวร์อัจฉริยะ
- คุณสมบัติอัจฉริยะ (เช่น การบันทึกข้อมูล)
- CIP (การทำความสะอาดโดยไม่ถอดอุปกรณ์)
ตารางด้านล่างแสดงกำลังการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา:
| ปริมาตรต่อแบตช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 1 ถึง 500mL | 10 ถึง 200mL/min | UP100H |
| 10 ถึง 2000mL | 20 ถึง 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 ถึง 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | สูงกว่า | ชุดเครื่องที่ทำงานร่วมกันของ UIP16000 |
ติดต่อเรา! / สอบถามเรา!
Hielscher Ultrasonics ผลิตเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงสำหรับงานผสม การกระจายตัว การทำอิมัลชัน และการสกัด ในระดับห้องปฏิบัติการ ระดับนำร่อง และระดับอุตสาหกรรม
เอกสารวิชาการ / เอกสารอ้างอิง
- 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.
ข้อเท็จจริงที่ควรทราบ
โบโรฟีนคืออะไร?
โบโรฟีนเป็นชั้นอะตอมเดี่ยวแบบผลึกของโบรอน กล่าวคือ เป็นอัญรูปสองมิติของโบรอน (เรียกอีกอย่างว่าแผ่นนาโนโบรอน) ลักษณะเฉพาะทางกายภาพและเคมีทำให้โบโรฟีนเป็นวัสดุที่มีคุณค่าสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมมากมาย
สมบัติทางกายภาพและเคมีที่โดดเด่นของโบโรฟีนประกอบด้วยลักษณะเฉพาะด้านเชิงกล ความร้อน อิเล็กทรอนิกส์ แสง และการนำยิ่งยวด
สมบัติเหล่านี้เปิดโอกาสให้นำโบโรฟีนไปใช้ในแบตเตอรี่ไอออนโลหะแอลคาไล แบตเตอรี่ Li-S การกักเก็บไฮโดรเจน ตัวเก็บประจุยิ่งยวด ปฏิกิริยารีดักชันและการเกิดออกซิเจน รวมถึงปฏิกิริยารีดักชัน CO2 ด้วยไฟฟ้า โบโรฟีนได้รับความสนใจสูงเป็นพิเศษในฐานะวัสดุแอโนดสำหรับแบตเตอรี่และวัสดุกักเก็บไฮโดรเจน เนื่องจากมีความจุจำเพาะเชิงทฤษฎีสูง การนำไฟฟ้าจากอิเล็กตรอนสูง และสมบัติการขนส่งไอออน โบโรฟีนจึงมีคุณสมบัติเหมาะสมเป็นวัสดุแอโนดที่ดีเยี่ยมสำหรับแบตเตอรี่ ด้วยความสามารถสูงในการดูดซับไฮโดรเจนบนโบโรฟีน วัสดุนี้จึงมีศักยภาพอย่างมากในการกักเก็บไฮโดรเจน – โดยมีความจุในการกักเก็บมากกว่า 15% ของน้ำหนักตัววัสดุ
โบโรฟีนใช้ในการกักเก็บไฮโดรเจนอย่างไร?
วัสดุสองมิติ (2D) ที่มีโบรอนเป็นองค์ประกอบหลักกำลังได้รับความสนใจอย่างมากในฐานะตัวกลางกักเก็บ H2 เนื่องจากโบรอนมีมวลอะตอมต่ำ และโลหะแอลคาไลที่ประดับบนพื้นผิวมีความเสถียร ซึ่งช่วยเพิ่มอันตรกิริยากับ H2 แผ่นนาโนโบโรฟีนสองมิติ ซึ่งสามารถสังเคราะห์ได้ง่ายด้วยการลอกแยกชั้นในเฟสของเหลวโดยใช้อัลตราซาวนด์ตามที่อธิบายไว้ข้างต้น แสดงให้เห็นว่ามีสัมพรรคภาพที่ดีต่ออะตอมโลหะชนิดต่าง ๆ ที่ใช้ประดับพื้นผิว โดยอาจเกิดการรวมกลุ่มของอะตอมโลหะได้ การประดับพื้นผิวด้วยโลหะหลากหลายชนิด เช่น Li, Na, Ca และ Ti บนโบโรฟีนรูปแบบผลึกต่าง ๆ ทำให้ได้ความหนาแน่นของ H2 โดยมวลที่น่าประทับใจในช่วง 6 ถึง 15 wt % ซึ่งสูงกว่าข้อกำหนดของกระทรวงพลังงานสหรัฐอเมริกา (DOE) สำหรับการกักเก็บ H2 บนยานพาหนะที่ 6.5wt% (ดู Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics ผลิตเครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงตั้งแต่ขนาดสำหรับ ห้องปฏิบัติการ ไปจนถึง ขนาดอุตสาหกรรม