Endüstriyel Ölçekte Ultrasonik Borofen Sentezi
Borun iki boyutlu nanoyapılı bir türevi olan borofen, kolay ve düşük maliyetli ultrasonik eksfoliasyon yoluyla verimli bir şekilde sentezlenebilir. Ultrasonik sıvı faz eksfoliasyonu, büyük miktarlarda yüksek kaliteli borofen nanolevhalar üretmek için kullanılabilir. Ultrasonik eksfoliasyon tekniği, 2D nanomalzemeler (ör. grafen) üretmek için yaygın olarak kullanılır ve yüksek kaliteli nanolevhalar, yüksek verim, hızlı ve kolay işlem ve genel verimlilik gibi avantajlarıyla iyi bilinir.
Borofen Hazırlamak İçin Ultrasonik Eksfoliasyon Yöntemi
Ultrasonikle gerçekleştirilen sıvı faz eksfoliasyonu, grafit (grafen), bor (borofen) ve diğer çeşitli kütlesel öncüllerden 2D nanolevhalar hazırlamak için yaygın olarak kullanılır. Kimyasal eksfoliasyon tekniğiyle karşılaştırıldığında, ultrasonik destekli sıvı faz eksfoliasyonu, bor kuantum noktaları (BQDs) ve borofen gibi 0D ve 2D nanoyapılar hazırlamak için daha umut verici bir strateji olarak kabul edilir. (bkz. Wang et al., 2021)
Soldaki şema, 2D az katmanlı borofen levhaların ultrasonik düşük sıcaklıklı sıvı eksfoliasyon sürecini göstermektedir. (Çalışma ve görsel: ©Lin et al., 2021.)
Büyük ölçekli borofen eksfoliasyonu için 2000 wattlık endüstriyel ultrasonik işlemci UIP2000hdT ile donatılmış sonokimyasal reaktör.
Ultrasonik Borofen Eksfoliasyonuna İlişkin Vaka Çalışmaları
Sıvı faz prosesinde güç ultrasoniği kullanılarak gerçekleştirilen eksfoliasyon ve delaminasyon kapsamlı biçimde araştırılmış ve borofene ve bor kuantum noktaları, bor nitrür veya magnezyum diborür gibi diğer bor türevlerine başarıyla uygulanmıştır.
α-Borofen
Göktuna ve Taşaltın (2021) tarafından gerçekleştirilen çalışmada, α borofen kolay ve düşük maliyetli ultrasonik eksfoliasyon yoluyla hazırlanmıştır. Ultrasonik olarak sentezlenen borofen nanolevhalar, α borofen kristal yapısı sergilemektedir.
Protokol: Ultrasonik sıvı faz eksfoliasyonu sırasında oksitlenmeyi önlemek için 100 mg bor mikropartikülü, 100 ml DMF içerisinde 200 W güçte (ör. S26d14 ile donatılmış UP200St kullanılarak) 4h boyunca azot (N2) akışı kontrollü bir kabinde sonikasyona tabi tutulmuştur. Eksfoliye edilmiş bor partiküllerini içeren çözelti, sırasıyla 5000 rpm ve 12.000 rpm hızlarında 15 min boyunca santrifüjlenmiş, ardından borofen dikkatlice toplanmış ve vakum ortamında 50ºC sıcaklıkta 4h boyunca kurutulmuştur. (bkz. Göktuna and Taşaltın, 2021)
Prob ultrasoniği destekli solvotermal işlemle eksfoliye edilmiş az katmanlı borofenin şematik gösterimi.
Çalışma ve görsel: ©Zhang et al., 2020
Az Katmanlı Borofen
Zhang et al. (2020), büyük yatay boyuta sahip yüksek kaliteli borofen üretimine olanak tanıyan bir aseton solvotermal sıvı faz eksfoliasyon tekniği bildirmektedir. Asetonun şişirme etkisinden yararlanılarak bor tozu öncülü önce aseton içerisinde ıslatılmıştır. Ardından, ıslatılan bor öncülüne aseton içerisinde 200ºC sıcaklıkta ek bir solvotermal işlem uygulanmış ve bunu prob tipi bir sonikatörle 225 W güçte 4h boyunca sonikasyon izlemiştir. Son olarak, birkaç bor katmanından oluşan ve yatay boyutu 5,05 mm’ye kadar ulaşan borofen elde edilmiştir. Aseton solvotermal destekli sıvı faz eksfoliasyon tekniği, büyük yatay boyutlara sahip ve yüksek kaliteli bor nanolevhalar hazırlamak için kullanılabilir. (bkz. Zhang et al., 2020)
Ultrasonik olarak eksfoliye edilmiş borofenin XRD deseni, kütlesel bor öncülününkiyle karşılaştırıldığında benzer bir XRD deseni gözlemlenebilir. Başlıca kırınım piklerinin çoğu b-rombohedral bora indekslenebilir; bu da kristal yapının eksfoliasyon işleminden önce ve sonra neredeyse korunduğunu düşündürmektedir.
Aseton içerisinde ultrasonik destekli solvotermal eksfoliasyonla elde edilen az katmanlı borofenin düşük çözünürlüklü (a) ve yüksek çözünürlüklü (b) SEM görüntüleri
Çalışma ve görsel: ©Zhang et al., 2020
İşlem görmemiş kütlesel borun ve prob ultrasoniği destekli solvotermal eksfoliasyonla elde edilen az katmanlı borofenin XRD desenleri (a) ve Raman spektrumları (b).
Çalışma ve görsel: ©Zhang et al., 2020
Bor Kuantum Noktalarının Sonokimyasal Sentezi
Hao et al. (2020), oldukça polar bir organik çözücü olan asetonitril içerisinde genleştirilmiş bor tozundan, güçlü bir prob tipi sonikatör (ör. UP400St, UIP500hdT veya UIP1000hdT) kullanarak büyük ölçekte ve tekdüze kristal yarı iletken bor kuantum noktalarını (BQDs) başarıyla hazırlamıştır. Sentezlenen bor kuantum noktalarının yanal boyutu 2,46 ±0,4 nm, kalınlığı ise 2,81 ±0,5 nm’dir.
Protokol: Tipik bir bor kuantum noktası hazırlama işleminde, önce üç boyunlu bir balona 30 mg bor tozu eklenmiş, ardından ultrasonik işlemden önce kaba 15 mL asetonitril eklenmiştir. Eksfoliasyon, 400 W çıkış gücünde (ör. UIP500hdT kullanılarak), 20kHz frekansta ve 60 min ultrasonik işlem süresiyle gerçekleştirilmiştir. Ultrasonik işlem sırasında çözeltinin aşırı ısınmasını önlemek ve sıcaklığı sabit tutmak için buz banyosu veya laboratuvar soğutucusu kullanılarak soğutma uygulanmıştır. Elde edilen çözelti, 1500 rpm hızında 60 min boyunca santrifüjlenmiştir. Bor kuantum noktalarını içeren süpernatant dikkatlice alınmıştır. Tüm deneyler oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. (bkz. Hao et al., 2020)
Wang et al. (2021) tarafından yapılan çalışmada da araştırmacılar, ultrasonik sıvı faz eksfoliasyon tekniğini kullanarak bor kuantum noktaları hazırlamıştır. Dar boyut dağılımına, mükemmel dispersibiliteye, IPA çözeltisinde yüksek kararlılığa ve “two-photo” floresansına sahip monodispers bor kuantum noktaları elde etmişlerdir.
Farklı ultrasonik koşullarda hazırlanan BQD’lerin TEM görüntüleri ve bunlara karşılık gelen çap dağılımları. (a) 400 W güçte 2 h boyunca sentezlenen BQDs-2’nin TEM görüntüsü. (b) 550 W güçte 1 h boyunca sentezlenen BQDs-3’ün TEM görüntüsü. (c) 400 W güçte 4 h boyunca sentezlenen BQDs-3’ün TEM görüntüsü. (d) (a)’dan elde edilen kuantum noktalarının çap dağılımı. (e) (b)’den elde edilen kuantum noktalarının çap dağılımı. (f) (c)’den elde edilen kuantum noktalarının çap dağılımı.
Çalışma ve görsel: ©Hao et al., 2020
Magnezyum Diborür Nanolevhaların Ultrasonik Eksfoliasyonu
Eksfoliasyon işlemi, 450mg magnezyum diborür
(MgB2) tozunun (yaklaşık 100 mesh boyutu / 149 mikron) 150 ml su içerisinde süspanse edilmesi ve 30 dakika boyunca ultrasonik işleme tabi tutulmasıyla gerçekleştirilmiştir. Ultrasonik eksfoliasyon, UP200Ht veya UP400St gibi bir prob tipi sonikatörle %30 genlikte ve 10sec açık/kapalı darbelerden oluşan döngü modunda gerçekleştirilebilir. Ultrasonik eksfoliasyon sonucunda koyu siyah bir süspansiyon oluşur. Siyah renk, işlem görmemiş MgB2 tozunun rengine bağlanabilir.
Suda bir grafit pulunun sonomekanik eksfoliasyonunu gösteren, 200W gücünde bir sonikatör olan UP200S ve 3mm sonotrot ile elde edilmiş yüksek hızlı görüntü dizisi (a’dan f’ye). Oklar, kavitasyon kabarcıklarının yarığa nüfuz ettiği ayrılma (eksfoliasyon) yerini göstermektedir.
© Tyurnina et al. 2020
Her Ölçekte Borofen Eksfoliasyonu İçin Güçlü Sonikatörler
Hielscher Ultrasonics, her boyutta sağlam ve güvenilir sonikatörler tasarlar, üretir ve dağıtır. Kompakt laboratuvar ultrasonik cihazlarından endüstriyel ultrasonik problara ve reaktörlere kadar Hielscher, prosesiniz için ideal ultrasonik sisteme sahiptir. Nanomalzeme sentezi ve dispersiyonu gibi uygulamalarda uzun yıllara dayanan deneyime sahip, iyi eğitimli personelimiz gereksinimleriniz için en uygun kurulumu önerecektir. Hielscher endüstriyel ultrasonik işlemcileri, endüstriyel tesislerde güvenilir iş makineleri olarak bilinir. Çok yüksek genlikler sunabilen Hielscher sonikatörleri, borofen veya grafen eksfoliasyonu ve nanomalzeme dispersiyonları gibi yüksek performanslı uygulamalar için idealdir. 200µm’ye kadar genliklerde 24/7 kesintisiz çalışma kolayca sürdürülebilir. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur.
Tüm ekipmanlar Almanya’daki merkezimizde tasarlanır ve üretilir. Müşteriye teslim edilmeden önce her ultrasonik cihaz tam yük altında dikkatlice test edilir. Müşteri memnuniyeti için çalışıyoruz ve üretimimiz en yüksek kalite güvencesini (ör. ISO sertifikasyonu) sağlayacak şekilde yapılandırılmıştır.
- yüksek verimlilik
- en ileri teknoloji
- güvenilirlik ve sağlamlık
- kesikli ve hat içi
- her hacim için
- akıllı yazılım
- akıllı özellikler (ör. veri kaydı)
- CIP (yerinde temizlik)
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir vermektedir:
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| uygulanamaz | 10–100L/min | UIP16000 |
| uygulanamaz | daha yüksek | birden fazla UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sorun!
Hielscher Ultrasonics, laboratuvar, pilot ve endüstriyel ölçekte karıştırma uygulamaları, dispersiyon, emülsifikasyon ve ekstraksiyon için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretir.
Literatür / Kaynaklar
- 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.
Bilinmesi Gerekenler
Borofen
Borofen, borun kristal yapılı tek atomik katmanıdır; yani borun iki boyutlu bir allotropudur (bor nanolevha olarak da adlandırılır). Kendine özgü fiziksel ve kimyasal özellikleri, borofeni çok sayıda endüstriyel uygulama için değerli bir malzeme hâline getirir.
Borofenin olağanüstü fiziksel ve kimyasal özellikleri, benzersiz mekanik, termal, elektronik, optik ve süperiletken nitelikleri içerir.
Bu özellikler, borofenin alkali metal iyon pilleri, Li-S pilleri, hidrojen depolama, süperkapasitör, oksijen indirgenmesi ve oluşumu ve CO2 elektroindirgenme reaksiyonu uygulamalarında kullanılmasına olanak tanır. Borofene özellikle piller için anot malzemesi ve hidrojen depolama malzemesi olarak büyük ilgi gösterilmektedir. Yüksek teorik özgül kapasiteleri, elektronik iletkenliği ve iyon taşıma özellikleri sayesinde borofen, piller için çok iyi bir anot malzemesi niteliğindedir. Borofenin yüksek hidrojen adsorpsiyon kapasitesi sayesinde, ağırlığının %15’inden fazla depolama kapasitesiyle hidrojen depolama için büyük bir potansiyel sunar.
Hidrojen Depolama İçin Borofen
İki boyutlu (2D) bor bazlı malzemeler, borun düşük atomik kütlesi ve yüzeye yerleştirilen alkali metallerin kararlılığı nedeniyle H2 depolama ortamları olarak büyük ilgi görmektedir; bu özellikler H2 ile etkileşimleri artırır. Yukarıda açıklandığı gibi ultrasonik sıvı faz eksfoliasyonu kullanılarak kolayca sentezlenebilen iki boyutlu borofen nanolevhalar, yüzeye yerleştirilen farklı metal atomlarına iyi bir afinite göstermiştir ve bunlarda metal atomlarının kümelenmesi meydana gelebilir. Farklı borofen polimorflarının yüzeylerine Li, Na, Ca ve Ti gibi çeşitli metallerin yerleştirilmesiyle, 6–15 wt % aralığında etkileyici H2 gravimetrik yoğunlukları elde edilmiştir; bunlar ABD Enerji Bakanlığının (DOE) araç üzerinde depolama için belirlediği 6,5wt% H2 gerekliliğini aşmaktadır. (bkz. Habibi et al., 2021)
Hielscher Ultrasonics, laboratuvar ölçeğinden endüstriyel boyuta kadar yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretir.