Ультразвуковий синтез борофену в промислових масштабах
Борофен, двовимірне наноструктуроване похідне бору, можна ефективно синтезувати за допомогою легкого та недорогого ультразвукового пілінгу. Ультразвукове рідкофазне відлущування можна використовувати для виробництва великої кількості високоякісних нанолистів борофену. Техніка ультразвукового відлущування широко використовується для виробництва 2D-наноматеріалів (наприклад, графену) і добре відома своїми перевагами високоякісних нанолистів, високим виходом, швидкою та легкою роботою, а також загальною ефективністю.
Метод ультразвукового пілінгу для приготування борфену
Рідкофазне відлущування з ультразвуковим керуванням широко використовується для приготування 2D-нанолистів з різних сипучих прекурсорів, включаючи графіт (графен), бор (борофен) та інші. У порівнянні з технікою хімічного відлущування, рідкофазне відлущування за допомогою ультразвуку розглядається як більш перспективна стратегія для підготовки 0D і 2D наноструктур, таких як квантові точки бору (BQD) і борофен. (пор. Wang et al., 2021)
На схемі зліва показаний ультразвуковий низькотемпературний процес рідкого відлущування 2D багатошарових борофенових листів. (Дослідження та ілюстрація: ©Lin et al., 2021.)
Сонохімічний реактор, оснащений 2000 Вт промисловий ультразвуковий процесор UIP2000HDT для великомасштабного відлущування борофену.
Приклади ультразвукового відлущування борофеном
Відлущування та розшарування за допомогою енергетичного ультразвуку в рідинно-фазовому процесі широко вивчено та успішно застосовується до борофену та інших похідних бору, таких як квантові точки бору, нітрид бору або диборид магнію.
α-Борофен
У дослідженні, проведеному Göktuna та Taşaltın (2021), α борофен готували за допомогою легкого та недорогого ультразвукового пілінгу. Ультразвуково синтезовані нанолисти борофену мають α кристалічну структуру борофену.
Протокол: 100 мг мікрочастинок бору були проскановані в 100 мл DMF при 200 Вт (наприклад, за допомогою UP200St з S26d14) протягом 4 годин в азоті (N2) кабіна з контролем потоку для запобігання окисленню під час ультразвукового процесу рідкофазного відлущування. Розчин відлущених частинок бору центрифугували з 5000 об/хв і 12 000 об/хв протягом 15 хв відповідно, потім борофен ретельно збирали та сушили у вакуумному середовищі протягом 4 годин при температурі 50ºC. (пор. Göktuna and Taşaltın, 2021)
Схематична ілюстрація борофену з кількома шарами, що відшаровуються в процесі зондового ультразвукового сольвотермічного лікування.
Дослідження та зображення: ©Zhang et al., 2020
Малошаровий борофен
Zhang et al. (2020) повідомляють про техніку відлущування ацетоном сольвотермальної рідкої фази, яка дозволяє виробляти високоякісний борофен з великим горизонтальним розміром. Використовуючи набухаючий ефект ацетону, попередник порошку бору спочатку змочували в ацетоні. Потім змочений попередник бору піддавався подальшій сольвотермальній обробці в ацетоні при температурі 200ºC з подальшим ультразвуковим дослідженням за допомогою зондового звукового апарату при 225 Вт протягом 4 год. Нарешті був отриманий борофен з декількома шарами бору і горизонтальним розміром до 5,05 мм. Техніка відлущування рідкою фазою за допомогою ацетонового сольвотермального покриття може бути використана для приготування нанолистів бору з великими горизонтальними розмірами та високою якістю. (пор. Чжан та ін., 2020)
Коли XRD-малюнок ультразвуково відшарованого борофену порівнюють з об'ємним попередником бору, можна спостерігати подібну рентгенівську картину. Більшість основних дифракційних піків можуть бути проіндексовані до b-ромбоедричного бору, що свідчить про те, що кристалічна структура майже зберігається до і після процедури відлущування.
SEM зображення з низькою роздільною здатністю (a) і високою роздільною здатністю (b) борофену з кількома шарами, отримані за допомогою ультразвукового сольвотермального відлущування в ацетоні
Дослідження та зображення: ©Zhang et al., 2020
Рентгенівські візерунки (a) та спектри комбінаційного розсіювання світла (b) необробленого об'ємного бору та борофену з кількома шарами, отриманими зондом за допомогою ультразвукового сольвотермального відлущування.
Дослідження та зображення: ©Zhang et al., 2020
Сонохимический синтез квантових точок бору
Hao et al. (2020) успішно підготували великомасштабні та однорідні кристалічні напівпровідникові квантові точки бору (BQDs) із розширеного порошку бору в ацетонітрилі, високополярному органічному розчиннику, за допомогою потужного ультразвукового пристрою зондового типу (наприклад, UP400St, UIP500hdT або UIP1000HDT). Синтезовано квантові точки бору з бічним розміром 2,46 ±0,4 нм і товщиною 2,81 ±0,5 нм.
Протокол: У типовому препараті квантових точок бору спочатку було додано 30 мг порошку бору в колбу з трьома шийками, а потім 15 мл ацетонітрилу було додано у пляшку перед процесом ультразвуку. Відлущування проводилося при вихідній потужності 400 Вт (наприклад, за допомогою UIP500hdT), частотою 20 кГц і часом ультразвуку 60 хв. Щоб уникнути перегріву розчину під час ультразвуку, застосовувалося охолодження за допомогою крижаної ванни або лабораторного чиллера для постійної температури. Отриманий розчин центрифугували при 1500 об/хв протягом 60 хв. Супернатант містив квантові точки бору, витягували м'яко. Всі досліди проводилися при кімнатній температурі. (пор. Хао та ін., 2020)
У дослідженні Wang et al. (2021) дослідник також готує квантові точки бору, використовуючи ультразвукову техніку рідкофазного відлущування. Вони отримали монодисперсну борну квантову точку з вузьким розподілом розмірів, відмінною дисперсністю, високою стабільністю в розчині IPA та двофотофлуоресценцією.
Зображення ТЕМ і відповідний розподіл діаметрів BQD, приготованих в різних ультразвукових умовах. (a) TEM-зображення BQDs-2, синтезованого при потужності 400 Вт протягом 2 год. (b) Зображення TEM BQDs-3, синтезованого при потужності 550 Вт протягом 1 год. (c) Зображення TEM BQDs-3, синтезованого при потужності 400 Вт протягом 4 год. (d) Розподіл по діаметру квантових точок, отриманих з (a). д) розподіл по діаметру квантових точок, отриманих з (б). (f) Розподіл по діаметру квантових точок набуває від (c).
Дослідження та зображення: ©Hao та ін., 2020
Ультразвукове відлущування нанолистів дибориду магнію
Процес відлущування проводився шляхом суспендування 450 мг дибориду магнію
(МгБ2) порошку (приблизно 100 меш розміром / 149 мкм) у 150 мл води та піддавання його ультразвуковій обробці протягом 30 хвилин. Ультразвуковий пілінг можна проводити за допомогою ультразвукового апарату зондового типу, такого як UP200Ht або UP400St з амплітудою 30% і режимом циклу 10сек імпульсів включення/виключення. В результаті ультразвукового пілінгу утворюється темно-чорна суспензія. Чорний колір можна віднести до кольору первозданного порошку MgB2.
Високошвидкісна послідовність (від a до f) кадрів, що ілюструють сономеханічне відлущування графітових пластівців у воді за допомогою UP200S, ультразвуковий пристрій потужністю 200 Вт з сонотродом 3 мм. Стрілками показано місце розщеплення (відлущування) з кавітаційними бульбашками, що проникають в розщепів.
© Тюрніна та ін., 2020
Потужні ультразвукові засоби для відлущування борофеном будь-якого масштабу
Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та розповсюджує міцні та надійні ультразвукові апарати будь-якого розміру. Від компактних лабораторних ультразвукових пристроїв до промислових ультразвукових зондів і реакторів, Hielscher має ідеальну ультразвукову систему для вашого процесу. Маючи багаторічний досвід у таких застосуваннях, як синтез та дисперсія наноматеріалів, наш добре навчений персонал порекомендує вам найбільш підходящу установку для вимог ypour . Промислові ультразвукові процесори Hielscher відомі як надійні робочі конячки на промислових об'єктах. Ультразвукові апарати Hielscher, здатні видавати дуже високі амплітуди, ідеально підходять для високопродуктивних застосувань, таких як відлущування борофеном або графеном, а також для дисперсій наноматеріалів. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.
Все обладнання розроблено та виготовлено в нашій штаб-квартирі в Німеччині. Перед доставкою замовнику кожен ультразвуковий прилад проходить ретельну перевірку під повним навантаженням. Ми прагнемо задовольнити потреби клієнтів, і наше виробництво побудовано таким чином, щоб відповідати найвищим гарантам якості (наприклад, сертифікація ISO).
- високий ККД
- Найсучасніші технології
- надійність & Надійності
- Пакетний & Вбудовані
- на будь-який обсяг
- Інтелектуальне програмне забезпечення
- інтелектуальні функції (наприклад, протоколювання даних)
- CIP (прибирання на місці)
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори для змішування, диспергування, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних та промислових масштабах.
Література / Список літератури
- 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.
Факти, які варто знати
Борофен
Борофен – це кристалічний атомний моношар бору, тобто це двовимірний алотроп бору (також званий нанолистом бору). Його унікальні фізико-хімічні характеристики перетворюють борофен на цінний матеріал для численних промислових застосувань.
Виняткові фізичні та хімічні властивості борофену включають унікальні механічні, теплові, електронні, оптичні та надпровідні грані.
Це відкриває можливості для використання борофену в іонних акумуляторах з лужними металами, Li-S батареях, накопичувачах водню, суперконденсаторах, відновленні та еволюції кисню, а також для реакції електровідновлення CO2. Особливо великий інтерес викликає борофен як анодний матеріал для акумуляторів і як матеріал для зберігання водню. Завдяки високим теоретичним питомим ємностям, електронній провідності та властивостям транспорту іонів, борофен кваліфікується як чудовий анодний матеріал для акумуляторів. Завдяки високій адсорбційній здатності водню до борофену, він має великий потенціал для зберігання водню – з ємністю строге понад 15% від його ваги.
Борофен для зберігання водню
Двовимірні (2D) матеріали на основі бору привертають велику увагу як носії інформації H2 через низьку атомну масу бору та стабільність декорування лужних металів на поверхні, які посилюють взаємодію з H2. Двовимірні нанолисти борофену, які можна легко синтезувати за допомогою ультразвукового рідкофазного пілінгу, як описано вище, показали хорошу спорідненість до різних атомів, що прикрашають метали, в яких може відбуватися кластеризація атомів металів. Використовуючи різноманітні металеві прикраси, такі як Li, Na, Ca та Ti на різних поліморфах борофену, було отримано вражаючу гравіметричну щільність H2 у діапазоні від 6 до 15 мас, що перевищує вимоги Міністерства енергетики США (DOE) щодо зберігання на борту в 6,5 мас.% H2. (пор. Хабібі та ін., 2021)
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефективні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторії до промислові розміри.