Ksenlarni ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash
Ksenlar juda katta sirt maydoni, yuqori elektr oʻtkazuvchanlik yoki choʻzilishga mustahkamlikni oʻz ichiga oluvchi anizotrop fizik / kimyoviy xossalar kabi ajoyib xususiyatlarga ega 2D bir elementli nanomateriallardir. Ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash yoki qatlamlarga ajratish qatlamli boshlangʻich materiallardan bir qatlamli 2D nanoplastinkalarni olishning samarali va ishonchli usulidir. Ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash yuqori sifatli ksen nanoplastinkalarini sanoat miqyosida ishlab chiqarishda allaqachon qoʻllanilmoqda.
Ksenlar – bir qatlamli nanostrukturalar
Ksenlar grafenga oʻxshash tuzilish, qatlam ichidagi kovalent bogʻlanish va qatlamlar orasidagi kuchsiz van der Waals kuchlari bilan tavsiflanadigan bir qatlamli (2D), bir elementli nanomateriallardir. Ksenlar sinfiga kiruvchi materiallarga borofen, silitsen, germanen, stanen, fosforen (qora fosfor), arsenen, vismuten, telluren va antimonen misol boʻladi. Bir qatlamli 2D tuzilishi tufayli ksen nanomateriallari juda katta sirt maydoni hamda yaxshilangan kimyoviy va fizik reaktivlik bilan tavsiflanadi. Ushbu tuzilish xususiyatlari ksen nanomateriallariga ajoyib fotonik, katalitik, magnit va elektron xossalarni beradi va bu nanostrukturalarni koʻplab sanoat qoʻllanmalari uchun juda qiziqarli qiladi. Chapdagi rasmda ultratovush yordamida eksfoliatsiyalangan borofenning SEM tasvirlari koʻrsatilgan.
Ksen nanoplastinkalarini katta miqyosda eksfoliatsiyalash uchun 2000 vattli UIP2000hdT ultratovush qurilmasi bilan jihozlangan reaktor.
Ultratovush yordamida qatlamlarga ajratish orqali ksen nanomateriallarini ishlab chiqarish
Qatlamli nanomateriallarni suyuqlikda eksfoliatsiyalash: Bir qatlamli 2D nanoplastinkalar qatlamli tuzilishga ega noorganik materiallardan (masalan, grafitdan) olinadi. Bunday materiallar muayyan ionlar va/yoki erituvchilar interkalatsiyalanganda qatlamlararo boʻshliq kengayishi yoki boʻkish kuzatiladigan, bir-birining ustiga boʻsh joylashgan asosiy qatlamlardan iborat. Qatlamli faza nanoplastinkalarga ajraladigan eksfoliatsiya odatda boʻkish bilan birga kechadi, chunki qatlamlar orasidagi elektrostatik tortishish kuchlari tez zaiflashib, alohida 2D qatlamlar yoki plastinkalarning kolloid dispersiyalarini hosil qiladi. (qarang: Geng et al, 2013) Umuman olganda, boʻkish ultratovush bilan ishlov berish orqali eksfoliatsiyani osonlashtirishi va manfiy zaryadlangan nanoplastinkalar hosil boʻlishiga olib kelishi maʼlum. Dastlabki kimyoviy ishlov ham erituvchilarda ultratovush bilan ishlov berish orqali eksfoliatsiyani osonlashtiradi. Masalan, funksionallashtirish qatlamli qoʻsh gidroksidlarni (LDHs) spirtlarda eksfoliatsiyalash imkonini beradi. (qarang: Nicolosi et al., 2013)
Ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash / qatlamlarga ajratish uchun qatlamli material erituvchi ichida kuchli ultratovush toʻlqinlari taʼsiriga duchor qilinadi. Energiya zichligi yuqori boʻlgan ultratovush toʻlqinlari suyuqlik yoki suspenziyaga uzatilganda akustik, yaʼni ultratovushli kavitatsiya yuz beradi. Ultratovushli kavitatsiya vakuum pufakchalarining qulab tushishi bilan tavsiflanadi. Ultratovush toʻlqinlari suyuqlik boʻylab tarqalib, navbatma-navbat past bosim / yuqori bosim sikllarini hosil qiladi. Juda mayda vakuum pufakchalari past bosim (siyraklanish) siklida paydo boʻladi va bir necha past bosim / yuqori bosim sikli davomida oʻsadi. Kavitatsiya pufakchasi boshqa energiyani yuta olmaydigan holatga yetganda, u keskin ichkariga qulab, mahalliy ravishda energiya zichligi juda yuqori boʻlgan sharoitlarni hosil qiladi. Kavitatsiyaning qaynoq nuqtasi juda yuqori bosim va harorat, tegishli bosim va harorat farqlari, yuqori tezlikdagi suyuqlik oqimchalari hamda siljish kuchlari bilan tavsiflanadi. Ushbu sonomexanik va sonokimyoviy kuchlar erituvchini ustma-ust joylashgan qatlamlar orasiga itaradi va qatlamli zarrachaviy hamda kristall tuzilmalarni parchalab, eksfoliatsiyalangan nanoplastinkalarni hosil qiladi. Quyidagi tasvirlar ketma-ketligi ultratovushli kavitatsiya orqali eksfoliatsiyalash jarayonini koʻrsatadi.
Suvdagi grafit tangachasini sonomexanik eksfoliatsiyalashda UP200S, 200W ultratovush qurilmasi va 3-mm sonotroddan foydalanishni aks ettiruvchi, yuqori tezlikda olingan kadrlar ketma-ketligi (a dan f gacha). Strelkalar kavitatsiya pufakchalari yoriqqa kirib boradigan ajralish (eksfoliatsiya) joyini koʻrsatadi.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)
Modellashtirish shuni koʻrsatdiki, agar erituvchining sirt energiyasi qatlamli materialnikiga oʻxshash boʻlsa, eksfoliatsiyalangan va qayta agregatsiyalangan holatlar orasidagi energiya farqi juda kichik boʻlib, qayta agregatsiyaning harakatlantiruvchi kuchini yoʻqotadi. Muqobil aralashtirish va siljish taʼsiriga asoslangan usullar bilan taqqoslaganda, ultratovushli aralashtirgichlar eksfoliatsiya uchun samaraliroq energiya manbai boʻlib xizmat qildi. Natijada ion interkalatsiyasi yordamida TaS2, NbS2 va MoS2, shuningdek, qatlamli oksidlarni eksfoliatsiyalash namoyish etildi. (qarang: Nicolosi et al., 2013)
Suyuqlikda ultratovush yordamida eksfoliatsiyalangan nanoplastinkalarning TEM tasvirlari: (A) N-metil-pirrolidon erituvchisida ultratovush bilan ishlov berish orqali eksfoliatsiyalangan grafen nanoplastinkasi. (B) Izopropanol erituvchisida ultratovush bilan ishlov berish orqali eksfoliatsiyalangan h-BN nanoplastinkasi. (C) Sirt faol moddaning suvli eritmasida ultratovush bilan ishlov berish orqali eksfoliatsiyalangan MoS2 nanoplastinkasi.
(Tadqiqot va rasmlar: ©Nicolosi et al., 2013)
Suyuqlikda ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash protokollari
Ksenlar va boshqa bir qatlamli nanomateriallarni ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash va qatlamlarga ajratish ilmiy tadqiqotlarda keng oʻrganilgan va sanoat ishlab chiqarish bosqichiga muvaffaqiyatli oʻtkazilgan. Quyida ultratovush bilan ishlov berishdan foydalanadigan tanlangan eksfoliatsiyalash protokollarini taqdim etamiz.
Fosforen nanotangachalarini ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash
Fosforen (qora fosfor, BP nomi bilan ham maʼlum) fosfor atomlaridan hosil boʻlgan 2D qatlamli, bir elementli materialdir.
Passaglia et al. (2018) tadqiqotida MMA ishtirokida bP ni ultratovush yordamida suyuq fazada eksfoliatsiyalash (LPE), soʻngra radikal polimerlash orqali fosforen – metil metakrilatning barqaror suspenziyalarini tayyorlash namoyish etilgan. Metil metakrilat (MMA) suyuq monomerdir.
Fosforenni suyuqlikda ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash protokoli
MMA_bPn, NVP_bPn va Sty_bPn suspenziyalari faqat monomerning oʻzi ishtirokida LPE orqali olindi. Odatdagi jarayonda hovonchada ehtiyotkorlik bilan maydalangan ∼5 mg bP probirkaga solindi, soʻngra tortib olingan miqdorda MMA, Sty yoki NVP qoʻshildi. Monomerdagi bP suspenziyasiga S26d2 sonotrodi (uch diametri: 2 mm) bilan jihozlangan Hielscher Ultrasonics UP200St gomogenizatori (200W, 26kHz) yordamida 90 min davomida ultratovush bilan ishlov berildi. Ultratovush amplitudasi P = 7 W sharoitida 50% darajasida oʻzgarmas saqlandi. Barcha hollarda issiqlikning tarqalishini yaxshilash uchun muzli vannadan foydalanildi. Soʻngra yakuniy MMA_bPn, NVP_bPn va Sty_bPn suspenziyalariga 15 min davomida N2 gazi yuborildi. Barcha suspenziyalar DLS yordamida tahlil qilindi va ularning rH qiymatlari DMSO_bPn qiymatiga juda yaqin ekanligi aniqlandi. Masalan, MMA_bPn suspenziyasi (bP miqdori taxminan 1% boʻlgan) rH = 512 ± 58 nm qiymati bilan tavsiflandi.
Fosforen boʻyicha boshqa ilmiy tadqiqotlarda ultratovushli tozalagichdan foydalanilganda ishlov berish vaqti bir necha soatga yetishi, qaynash harorati yuqori erituvchilar va past samaradorlik qayd etilgan boʻlsa, Passaglia tadqiqot guruhi ultratovush yordamida eksfoliatsiyalashning juda samarali protokolini zond turidagi ultratovush qurilmasi yordamida namoyish etadi (aynan Hielscher UP200St modelidagi ultratovush qurilmasi).
Bir qatlamli nanoplastinkalarni ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash
Borofen va ruteniy oksidi nanoplastinkalariga oid yanada aniqroq tafsilotlar va eksfoliatsiyalash protokollarini oʻqish uchun quyidagi havolalarga oʻting:
Borofen: Ultratovush bilan ishlov berish protokollari va borofenni ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash natijalari uchun shu yerni bosing!
RuO2: Ultratovush bilan ishlov berish protokollari va ruteniy oksidi nanoplastinkalarini ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash natijalari uchun shu yerni bosing!
Kam qatlamli kremniy dioksidi nanoplastinkalarini ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash
Kam qatlamli eksfoliatsiyalangan kremniy dioksidi nanoplastinkalari tabiiy vermikulitdan (Verm) ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash orqali tayyorlandi. Eksfoliatsiyalangan kremniy dioksidi nanoplastinkalarini sintez qilish uchun quyidagi suyuq fazada eksfoliatsiyalash usuli qoʻllanildi: 40 mg kremniy dioksidi nanoplastinkalari 40 mL mutlaq etanolda dispersiyalandi. Keyin aralashmaga 7 mm sonotrod bilan jihozlangan Hielscher UP200St ultratovush protsessori yordamida 2 h davomida ultratovush bilan ishlov berildi. Ultratovush toʻlqinining amplitudasi 70% darajasida oʻzgarmas saqlandi. Haddan tashqari qizib ketishning oldini olish uchun muzli vanna qoʻllanildi. Eksfoliatsiyalanmagan SN 1000 rpm tezlikda 10 min davomida sentrifugalash orqali olib tashlandi. Nihoyat, mahsulot dekantatsiya qilindi va xona haroratida vakuum ostida tun davomida quritildi. (qarang: Guo et al., 2022)
Bir qatlamli nanoplastinkalarni ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash uchun ishlatiladigan qurilma – UP400ST ultratovush qurilmasi.
Suyuqlikda ultratovush yordamida eksfoliatsiyalash ksen nanoplastinkalarini ishlab chiqarishda juda samaralidir. Rasmda koʻrsatilgan 1000 vatt quvvatli qurilma – UIP1000hdT.
Ksen nanoplastinkalarini eksfoliatsiyalash uchun yuqori quvvatli ultratovush zondlari va reaktorlari
Hielscher Ultrasonics har qanday oʻlchamdagi mustahkam va ishonchli ultratovush qurilmalarini loyihalaydi, ishlab chiqaradi va tarqatadi. Ixcham laboratoriya ultratovush qurilmalaridan tortib sanoat ultratovush zondlari va reaktorlarigacha, Hielscher jarayoningiz uchun ideal ultratovush tizimiga ega. Nanomateriallar sintezi va dispersiyalash kabi qoʻllanmalarda uzoq yillik tajribaga ega, puxta tayyorlangan xodimlarimiz talablaringiz uchun eng mos uskunalar majmuasini tavsiya etadi. Hielscher sanoat ultratovush protsessorlari sanoat korxonalarida ogʻir ishlarni ishonchli bajaruvchi uskunalar sifatida tanilgan. Juda yuqori amplitudalarni taʼminlay oladigan Hielscher ultratovush qurilmalari ksenlar va borofen, fosforen yoki grafen kabi boshqa 2D bir qatlamli nanomateriallarni sintez qilish, shuningdek, ushbu nanostrukturalarni ishonchli dispersiyalash kabi yuqori unumdorlik talab etiladigan qoʻllanmalar uchun idealdir.
Favqulodda kuchli ultratovush: Hielscher Ultrasonics sanoat ultratovush protsessorlari juda yuqori amplitudalarni taʼminlay oladi. 200µm gacha boʻlgan amplitudalarda 24/7 rejimida uzluksiz ishlashni osongina amalga oshirish mumkin. Yanada yuqori amplitudalar uchun buyurtma asosida tayyorlangan ultratovush sonotrodlari mavjud.
Eng yuqori sifat – Germaniyada loyihalangan va ishlab chiqarilgan: Barcha uskunalar Germaniyadagi bosh qarorgohimizda loyihalanadi va ishlab chiqariladi. Mijozga yetkazib berishdan oldin har bir ultratovush qurilmasi toʻliq yuklama ostida sinchiklab sinovdan oʻtkaziladi. Biz mijozlar mamnunligiga intilamiz va ishlab chiqarishimiz eng yuqori sifat kafolatini taʼminlashga (masalan, ISO sertifikatlashiga) mos ravishda tashkil etilgan.
Quyidagi jadval ultratovush qurilmalarimizning taxminiy ishlov berish quvvati haqida tasavvur beradi:
| Partiya hajmi | Hajmiy oqim tezligi | Tavsiya etiladigan qurilmalar |
|---|---|---|
| 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 |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | kattaroq | Qurilmalar klasteri: UIP16000 |
Biz bilan bogʻlaning! / Bizdan soʻrang!
Hielscher Ultrasonics laboratoriya, tajriba-sanoat va sanoat miqyosida aralashtirish, dispersiyalash, emulsiyalash va ekstraksiya qilish uchun yuqori unumdorlikdagi ultratovushli gomogenizatorlarni ishlab chiqaradi.
Adabiyotlar / Manbalar
- FactSheet: Ultrasonic Graphene Exfoliation and Dispersion – Hielscher Ultrasonics – english version
- FactSheet: Exfoliación y Dispersión de Grafeno por Ultrasonidos – Hielscher Ultrasonics – spanish version
- Passaglia, Elisa; Cicogna, Francesca; Costantino, Federica; Coiai, Serena; Legnaioli, Stefano; Lorenzetti, G.; Borsacchi, Silvia; Geppi, Marco; Telesio, Francesca; Heun, Stefan; Ienco, Andrea; Serrano-Ruiz, Manuel; Peruzzini, Maurizio (2018): Polymer-Based Black Phosphorus (bP) Hybrid Materials by in Situ Radical Polymerization: An Effective Tool To Exfoliate bP and Stabilize bP Nanoflakes. Chemistry of Materials 2018.
- Zunmin Guo, Jianuo Chen, Jae Jong Byun, Rongsheng Cai, Maria Perez-Page, Madhumita Sahoo, Zhaoqi Ji, Sarah J. Haigh, Stuart M. Holmes (2022): High-performance polymer electrolyte membranes incorporated with 2D silica nanosheets in high-temperature proton exchange membrane fuel cells. Journal of Energy Chemistry, Volume 64, 2022. 323-334.
- Sukpirom, Nipaka; Lerner, Michael (2002): Rapid exfoliation of a layered titanate by ultrasonic processing. Materials Science and Engineering A-structural Materials Properties Microstructure and Processing 333, 2002. 218-222.
- Nicolosi, Valeria; Chhowalla, Manish; Kanatzidis, Mercouri; Strano, Michael; Coleman, Jonathan (2013): Liquid Exfoliation of Layered Materials. Science 340, 2013.
Bilishga arziydigan faktlar
Fosforen
Fosforen (shuningdek, qora fosfor nanoplastinkalari / nanotangachalari) qalinligi 5 nm boʻlgan namuna uchun 1000 cm2 V–1 s–1 yuqori harakatchanlikni hamda tokning yoqilgan/oʻchirilgan (ON/OFF) holatlardagi 105 yuqori nisbatini namoyon etadi. p-tipdagi yarimoʻtkazgich sifatida fosforen 0,3 eV toʻgʻri taqiqlangan zona kengligiga ega. Bundan tashqari, fosforenning toʻgʻri taqiqlangan zona kengligi bir qatlam uchun taxminan 2 eV gacha ortadi. Ushbu material xususiyatlari qora fosfor nanoplastinkalarini koʻrinadigan spektrning butun diapazonini qamrab oluvchi nanoelektron va nanofotonik qurilmalardagi sanoat qoʻllanmalari uchun istiqbolli materialga aylantiradi. (qarang: Passaglia et al., 2018) Yana bir ehtimoliy qoʻllanish sohasi biotibbiyotdir, chunki nisbatan past zaharlilik qora fosfordan foydalanishni juda jozibador qiladi.
Ikki oʻlchamli materiallar sinfida fosforen koʻpincha grafen bilan yonma-yon qoʻyiladi, chunki grafendan farqli ravishda fosforen noldan farqli fundamental taqiqlangan zona kengligiga ega boʻlib, uni deformatsiya va ustma-ust joylashgan qatlamlar soni orqali qoʻshimcha ravishda oʻzgartirish mumkin.
Borofen
Borofen borning kristall atomar bir qatlamidir, yaʼni u borning ikki oʻlchamli allotropidir (bor nanoplastinkasi deb ham ataladi). Uning oʻziga xos fizik va kimyoviy xususiyatlari borofenni koʻplab sanoat qoʻllanmalari uchun qimmatli materialga aylantiradi.
Borofenning ajoyib fizik va kimyoviy xossalari oʻziga xos mexanik, issiqlik, elektron, optik va oʻta oʻtkazuvchanlik jihatlarini oʻz ichiga oladi.
Bu borofendan ishqoriy metall-ion batareyalari, Li-S batareyalari, vodorod saqlash, superkondensatorlar, kislorodni qaytarish va ajratib chiqarish, shuningdek, CO2 ni elektrkimyoviy qaytarish reaksiyasida foydalanish imkoniyatlarini ochadi. Borofenga batareyalar uchun anod materiali va vodorod saqlash materiali sifatida ayniqsa katta qiziqish bildirilmoqda. Yuqori nazariy solishtirma sigʻimlari, elektron oʻtkazuvchanligi va ion tashish xossalari tufayli borofen batareyalar uchun juda yaxshi anod materiali hisoblanadi. Borofenning vodorodni adsorbsiyalash sigʻimi yuqori boʻlgani sababli u vodorod saqlash uchun katta salohiyatga ega – saqlash sigʻimi oʻz vaznining 15% idan ortiq.
Borofenni ultratovush yordamida sintez qilish va dispersiyalash haqida koʻproq oʻqing!
Hielscher Ultrasonics yuqori unumdorlikdagi ultratovushli gomogenizatorlarni laboratoriya oʻlchamidan sanoat oʻlchamigacha ishlab chiqaradi.