Ультразвукове відлущування ксенів

Ксени - це 2D моноелементні наноматеріали з надзвичайними властивостями, такими як дуже велика площа поверхні, анізотропні фізичні / хімічні властивості, включаючи чудову електропровідність або міцність на розрив. Ультразвукове відлущування або деламінація є ефективним і надійним методом виробництва одношарових 2D-нанолистів з багатошарових прекурсорних матеріалів. Ультразвукове відлущування вже налагоджено для виробництва високоякісних нанолистів ксенів у промислових масштабах.

Ксени – Моношарові наноструктури

Ксени — це моношарові (2D), моноелементні наноматеріали, які мають графеноподібну структуру, внутрішньошаровий ковалентний зв'язок і слабкі сили ван-дер-Ваальса між шарами. Прикладами матеріалів, що входять до класу ксенів, є борофен, силіцен, германен, станен, фосфорен (чорний фосфор), арсенен, вісмутен, а також телурен і антимонен. Завдяки своїй одношаровій 2D-структурі, наноматеріали ксенів мають дуже велику поверхню, а також покращену хімічну та фізичну реакційну здатність. Ці структурні характеристики надають наноматеріалам ксенів вражаючі фотонні, каталітичні, магнітні та електронні властивості і роблять ці наноструктури дуже цікавими для численних промислових застосувань. На малюнку ліворуч показані зображення SEM ультразвуково відлущеного борофену.

Виробництво наноматеріалів Xenes методом ультразвукового деламінування

Рідке відлущування шаруватих наноматеріалів: Одношарові 2D-нанолисти виготовляються з неорганічних матеріалів з шаруватими структурами (наприклад, графіт), які складаються з нещільно складених шарів-господарів, які демонструють пошарове розширення галереї або набухання при інтеркаляції певних іонів та/або розчинників. Відлущування, під час якого шарувата фаза розщеплюється на нанолисти, зазвичай супроводжує набухання через швидке ослаблення електростатичного притягання між шарами, які утворюють колоїдні дисперсії окремих 2D-шарів або листів. (пор. Генг та ін., 2013) Загалом відомо, що набряк полегшує відлущування за допомогою ультразвуку і призводить до негативно заряджених нанолистів. Хімічна попередня обробка також полегшує відлущування за допомогою ультразвукового апарату в розчинниках. Наприклад, функціоналізація дозволяє відлущувати шаруваті подвійні гідроксиди (ЛДГ) у спиртах. (пор. Ніколозі та ін., 2013)
Для ультразвукового відлущування / розшарування шаруватий матеріал піддається впливу потужних ультразвукових хвиль в розчиннику. Коли енергетично насичені ультразвукові хвилі з'єднуються в рідину або суспензію, виникає акустична, так звана ультразвукова кавітація. Ультразвукова кавітація характеризується згортанням вакуумних бульбашок. Ультразвукові хвилі проходять через рідину і створюють почергові цикли низького тиску / високого тиску. Дрібні вакуумні бульбашки виникають під час циклу низького тиску (розрідження) і ростуть протягом різних циклів низького тиску / високого тиску. Коли кавітаційна бульбашка досягає точки, де вона не може поглинути подальшу енергію, бульбашка сильно вибухає і створює локально дуже енергетично насичені умови. Кавітаційна гаряча точка визначається дуже високим тиском і температурою, відповідними перепадами тисків і температур, високошвидкісними струменями рідини та силами зсуву. Ці сономеханічні та сонохімічні сили штовхають розчинник між складеними шарами та розщеплюють шаруваті тверді та кристалічні структури, тим самим утворюючи відшаровані нанолисти. Послідовність зображень нижче демонструє процес відлущування за допомогою ультразвукової кавітації.

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 (CC BY-NC-ND 4.0)

Моделювання показало, що якщо поверхнева енергія розчинника подібна до енергії шаруватого матеріалу, різниця в енергії між відлущеним і реагрегованим станами буде дуже малою, що усуває рушійну силу для повторної агрегації. У порівнянні з альтернативними методами перемішування та зсуву, ультразвукові мішалки забезпечили більш ефективне джерело енергії для відлущування, що призвело до демонстрації відлущування TaS за допомогою іонної інтеркаляції₂, NbS₂та МОН₂, а також шаруваті оксиди. (пор. Ніколозі та ін., 2013)

TEM-зображення ультразвуково рідких відлущених нанолистів: (A) Графеновий нанолист, відлущений за допомогою ультразвуку в розчиннику N-метил-піролідону. (B) Нанолист h-BN, відлущений за допомогою ультразвуку в розчиннику ізопропанолі. (C) Нанолист MoS2, відлущений за допомогою ультразвуку у водному розчині поверхнево-активної речовини.
(Дослідження та ілюстрації: ©Nicolosi et al., 2013)

Протоколи ультразвукового відлущування рідиною

Ультразвукове відлущування і розшарування ксенів та інших одношарових наноматеріалів широко вивчено в дослідженнях і успішно переведено на стадію промислового виробництва. Нижче ми представляємо вам обрані протоколи відлущування за допомогою ультразвуку.

Ультразвукове відлущування нанопластівців фосфорену

Фосфорен (також відомий як чорний фосфор, BP) є 2D-шаруватим моноелементним матеріалом, утвореним з атомів фосфору.
У дослідженнях Passaglia et al. (2018) продемонстровано отримання стабільних суспензій фосфорену − метилметакрилату шляхом рідкофазного відлущування (LPE) bP за допомогою ультразвукового випромінювання в присутності ММА з подальшою радикальною полімеризацією. Метилметакрилат (ММА) є рідким мономером.

Протокол ультразвукового рідкого відлущування фосфорену

MMA_bPn, NVP_bPn і Sty_bPn суспензії були отримані методом ЛПЕ в присутності мономера підошви. У типовій процедурі ∼5 мг bP, обережно подрібненого в ступці, поміщали в пробірку, а потім додавали зважену кількість MMA, Sty або NVP. Суспензію мономеру bP проводили ультразвукове дослідження протягом 90 хв за допомогою гомогенізатора Hielscher Ultrasonics UP200St (200 Вт, 26 кГц), оснащеного сонотродом S26d2 (діаметр наконечника: 2 мм). Амплітуда ультразвуку підтримувалася постійною на рівні 50% при Р = 7 Вт. У всіх випадках для поліпшення розсіювання тепла використовувалася крижана ванна. Останні MMA_bPn, NVP_bPn та Sty_bPn підвіски потім були інсульовані N2 протягом 15 хв. Всі суспензії були проаналізовані DLS, показавши значення rH дійсно близькі до DMSO_bPn. Наприклад, суспензія MMA_bPn (має близько 1% від вмісту bP) характеризувалася rH = 512 ± 58 нм.
У той час як інші наукові дослідження фосфорену повідомляють про час ультразвукового очищувача в кілька годин з використанням ультразвукового очищувача, розчинників з високою температурою кипіння та низькою ефективністю, дослідницька група Passaglia демонструє високоефективний протокол ультразвукового відлущування з використанням ультразвукового апарату зондового типу (а саме Ультразвуковий апарат Hielscher моделі UP200St).

Ультразвукове відлущування моношарових нанолистів

Щоб прочитати більш конкретні деталі та протоколи відлущування нанолистів з борофену та оксиду рутенію, перейдіть за посиланнями нижче:
Борофен: Для ознайомлення з протоколами ультразвукового дослідження та результатами ультразвукового відлущування борофеном, будь ласка, натисніть тут!
RuO2: Щоб ознайомитися з протоколами ультразвукового дослідження та результатами ультразвукового відлущування нанолистів оксидом рутенію, натисніть тут!

Ультразвукове відлущування малошарових нанолистів кремнезему

Кілька шарових відлущених кремнеземних нанолистів були виготовлені з природного вермикуліту (Verm) шляхом ультразвукового відлущування. Для синтезу відлущених нанолистів кремнезему був застосований наступний метод рідкофазного відлущування: 40 мг нанолистів кремнезему були дисперговані в 40 мл абсолютного етанолу. Згодом суміш піддавали ультразвуковій обробці протягом 2 год за допомогою ультразвукового процесора Hielscher UP200St, оснащеного сонотродом 7 мм. Амплітуда ультразвукової хвилі зберігалася постійною на рівні 70%. Щоб уникнути перегріву, застосовувалася крижана ванна. Невідшаровані СН видаляли центрифугуванням при 1000 об/хв протягом 10 хв. Нарешті, продукт декантували і сушили при кімнатній температурі під вакуумом протягом ночі. (пор. Го та ін., 2022)

Потужні ультразвукові зонди та реактори для відлущування нанолистів ксенів

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 сферах застосування, як синтез та дисперсія наноматеріалів, наш добре навчений персонал порекомендує вам найбільш підходящу установку для ваших вимог. Промислові ультразвукові процесори Hielscher відомі як надійні робочі конячки на промислових об'єктах. Здатні видавати дуже високі амплітуди, ультразвукові апарати Hielscher ідеально підходять для високопродуктивних застосувань, таких як синтез ксенів та інших 2D-моношарових наноматеріалів, таких як борофен, фосфорен або графен, а також для надійного дисперсування цих наноструктур.
Надзвичайно потужне ультразвукове дослідження: Hielscher Ultrasonics’ Промислові ультразвукові процесори можуть видавати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.
Найвища якість – Розроблено та виготовлено в Німеччині: 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).

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: