Ультразвукове розшарування ксенів

Ксени – це 2D одноелементні наноматеріали з надзвичайними властивостями, такими як дуже висока питома поверхня, анізотропні фізичні / хімічні властивості, включаючи провідну електропровідність або міцність на розрив. Ультразвукове розшарування або деламінація є ефективним і надійним методом виробництва одношарових 2D нанопластин з багатошарових прекурсорних матеріалів. Ультразвукове розшарування вже застосовується для виробництва високоякісних нанопластин ксенів в промислових масштабах.

Ксени – одношарові наноструктури

Ксени – це одношарові (2D), одноелементні наноматеріали, які мають структуру, подібну до графену, внутрішньошарові ковалентні зв’язки та слабкі сили Ван-дер-Ваальса між шарами. Прикладами матеріалів, які належать до класу ксенів, є борофен, силіцен, германен, станен, фосфорен (чорний фосфор), арсенен, бісмутен, телурен та антимонен. Завдяки своїй одношаровій 2D структурі, наноматеріали ксенів характеризуються дуже великою площею поверхні, а також покращеною хімічною та фізичною реакційною здатністю. Ці структурні характеристики надають наноматеріалам ксенів вражаючі фотонні, каталітичні, магнітні та електронні властивості і роблять ці наноструктури дуже цікавими для численних промислових застосувань. Зображення ліворуч показує SEM-зображення борофену, розшарованого за допомогою ультразвуку.

Виробництво наноматеріалів ксенів за допомогою ультразвукової деламінації

Рідке розшарування багатошарових наноматеріалів: Одношарові 2D нанопластини виробляються з неорганічних матеріалів з багатошаровою структурою (наприклад, графіт), які складаються з слабко укладених хост-шарів, що демонструють розширення або набухання міжшарових проміжків при інтеграції певних іонів та/або розчинників. Розшарування, при якому багатошарова фаза розщеплюється на нанопластини, зазвичай супроводжує набухання через швидке ослаблення електростатичних сил притягання між шарами, що створює колоїдні дисперсії окремих 2D шарів або пластин. (див. Geng et al, 2013) Загалом відомо, що набухання сприяє розшаруванню через ультразвукову обробку та призводить до утворення нанопластин з негативним зарядом. Хімічна попередня обробка також сприяє розшаруванню за допомогою ультразвукової обробки в розчинниках. Наприклад, функціоналізація дозволяє розшаровувати багатошарові гідроксиди (LDH) в спиртах. (див. Nicolosi et al., 2013)
Для ультразвукового розшарування / деламінації багатошаровий матеріал піддається дії потужних ультразвукових хвиль у розчиннику. Коли енергонасичені ультразвукові хвилі вводяться в рідину або суспензію, виникає акустична, або ультразвукова кавітація. Ультразвукова кавітація характеризується колапсом вакуумних бульбашок. Ультразвукові хвилі поширюються через рідину та генерують чергування циклів низького тиску / високого тиску. Мікроскопічні вакуумні бульбашки утворюються під час циклу низького тиску (розрідження) і зростають протягом різних циклів низького тиску / високого тиску. Коли кавітаційна бульбашка досягає точки, де вона не може поглинати подальшу енергію, бульбашка імплосує насильно і створює локально дуже енергонасичені умови. Гаряча точка кавітації визначається дуже високими тисками та температурою, відповідними перепадами тиску та температури, високоскорісними рідкісними струменями та зсувними силами. Ці сономеханічні та сонохімічні сили штовхають розчинник між укладеними шарами та руйнують багатошарові частинкові та кристалічні структури, тим самим виробляючи розшаровані нанопластини. Послідовність зображень нижче демонструє процес розшарування за допомогою ультразвукової кавітації.

Високоскорісна послідовність (від a до f) кадрів, що ілюструють сономеханічне розшарування пластинки графіту у воді за допомогою UP200S, ультразвукового обробника потужністю 200W з 3-mm сонотродом. Стрілки показують місце розщеплення (розшарування) з проникненням кавітаційних бульбашок у розщеплення.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Моделювання показало, що якщо поверхнева енергія розчинника подібна до поверхневої енергії шаруватого матеріалу, різниця енергій між ексфолійованим та реагрегованим станами буде дуже малою, що усуває рушійну силу для реагрегації. У порівнянні з альтернативними методами перемішування та зсуву, ультразвукові гомогенізатори забезпечили більш ефективне джерело енергії для ексфоліації, що призвело до демонстрації ексфоліації TaS₂, NbS₂ та MoS₂, а також шаруватих оксидів, за допомогою інтеркаляції іонів. (пор. Nicolosi et al., 2013)

Зображення ПЕМ (TEM) нанопластин, отриманих ультразвуковою рідкісною ексфоліацією: (A) нанопластини графену, отримані за допомогою ультразвукової обробки в розчиннику N-метилпіролідоні. (B) нанопластини h-BN, отримані за допомогою ультразвукової обробки в розчиннику ізопропанолі. (C) нанопластини MoS2, отримані за допомогою ультразвукової обробки в водному розчині поверхнево-активної речовини.
(Дослідження та зображення: ©Nicolosi et al., 2013)

Протоколи ультразвукової рідкісної ексфоліації

Ультразвукова ексфоліація та деламінація ксенів та інших одношарових наноматеріалів були ретельно вивчені в дослідженнях і успішно перенесені на промисловий етап виробництва. Нижче ми представляємо вам вибрані протоколи ексфоліації з використанням ультразвукової обробки.

Ультразвукова ексфоліація нанопластин фосфорену

Фосфорен (також відомий як чорний фосфор, BP) – це 2D шаруватий одноелементний матеріал, утворений з атомів фосфору.
У дослідженні Passaglia et al. (2018) демонструється підготовка стабільних суспензій фосфорену – метилметакрилату за допомогою ультразвукової рідкісної ексфоліації (LPE) bP у присутності MMA з наступною радикальною полімеризацією. Метилметакрилат (MMA) – це рідкий мономер.

Протокол ультразвукової рідкісної ексфоліації фосфорену

Суспензії MMA_bPn, NVP_bPn та Sty_bPn були отримані за допомогою LPE у присутності лише мономера. У типовій процедурі ∼5 мг bP, ретельно подрібненого в ступці, поміщали в пробірку, а потім додавали зважену кількість MMA, Sty або NVP. Суспензію мономера bP піддавали ультразвуковій обробці протягом 90 хв, використовуючи ультразвуковий гомогенізатор Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), обладнаний сонотродом S26d2 (діаметр наконечника: 2 mm). Ультразвукову амплітуду підтримували постійною на рівні 50% при P = 7 W. В усіх випадках використовували крижану ванну для покращення відведення тепла. Кінцеві суспензії MMA_bPn, NVP_bPn та Sty_bPn потім продували N2 протягом 15 хв. Усі суспензії аналізували за допомогою DLS, показуючи значення rH, дійсно близькі до значень DMSO_bPn. Наприклад, суспензія MMA_bPn (з вмістом bP близько 1%) характеризувалася rH = 512 ± 58 nm.
Хоча інші наукові дослідження щодо фосфорену повідомляють про час ультразвукової обробки кілька годин з використанням ультразвукової ванни, розчинників з високою температурою кипіння та низькою ефективністю, дослідницька група Passaglia демонструє високоефективний протокол ультразвукової ексфоліації з використанням ультразвукового апарату зондового типу (а саме ультразвукового апарату Hielscher моделі UP200St).

Ультразвукова ексфоліація одношарових нанопластин

Щоб прочитати більш специфічні деталі та протоколи ексфоліації для нанопластин борофену та оксиду рутенію, будь ласка, дотримуйтесь посилань нижче:
Борофен: Для протоколів ультразвукової обробки та результатів ультразвукової ексфоліації борофену, будь ласка, натисніть тут!
RuO2: Для протоколів ультразвукової обробки та результатів ультразвукової ексфоліації нанопластин оксиду рутенію, будь ласка, натисніть тут!

Ультразвукова ексфоліація нанопластин кремнезему з малою кількістю шарів

Багатошарові відшаровані нанолістки діоксиду кремнію були підготовлені з природного вермикуліту (Verm) за допомогою ультразвукового відшарування. Для синтезу відшарованих нанолістків діоксиду кремнію застосовували наступний метод відшарування в рідкій фазі: 40 mg нанолістків діоксиду кремнію диспергували в 40 mL абсолютному етанолі. Після цього суміш піддавали ультразвуковій обробці протягом 2 h за допомогою ультразвукового процесора Hielscher UP200St, обладнаного сонотродом 7 mm. Амплітуда ультразвукової хвилі підтримувалася постійною на рівні 70%. Для запобігання перегріву застосовували крижану ванну. Невідшаровані SN видаляли центрифугуванням при 1000 rpm протягом 10 min. Нарешті, продукт декантували та сушили при кімнатній температурі під вакуумом протягом ночі. (cf. Guo et al., 2022)

Ультразвукові зонди та реактори високої потужності для відшарування нанолістків ксенів

Hielscher Ultrasonics розробляє, виробляє та постачає надійні та потужні ультразвукові апарати будь-якого розміру. Від компактних лабораторних ультразвукових приладів до промислових ультразвукових зондів та реакторів, Hielscher має ідеальну ультразвукову систему для вашого процесу. Завдяки багаторічному досвіду в таких застосуваннях, як синтез та диспергування наноматеріалів, наші досвідчені співробітники порекомендують вам найбільш підходящу конфігурацію для ваших потреб. Промислові ультразвукові процесори Hielscher відомі як надійні «робочі конячки» на промислових підприємствах. Здатні забезпечувати дуже високі амплітуди, ультразвукові апарати Hielscher є ідеальними для високоефективних застосувань, таких як синтез ксенів та інших 2D одношарових наноматеріалів, таких як борофен, фосфорен або графен, а також для надійного диспергування цих наноструктур.
Надзвичайно потужний ультразвук: Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можуть легко працювати безперервно в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.
Найвища якість – розроблено та виготовлено в Німеччині: Усе обладнання розробляється та виробляється на нашій головній базі в Німеччині. Перед відправкою клієнту кожен ультразвуковий прилад ретельно тестується під повним навантаженням. Ми прагнемо до задоволення потреб клієнтів, і наше виробництво структуроване так, щоб відповідати найвищим стандартам забезпечення якості (наприклад, сертифікація ISO).

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових апаратів: