Bóc tách xene bằng siêu âm

Xene là các vật liệu nano đơn nguyên tố 2D có những tính chất đặc biệt như diện tích bề mặt rất lớn, các tính chất vật lý / hóa học dị hướng, bao gồm độ dẫn điện hoặc độ bền kéo vượt trội. Bóc tách hoặc tách lớp bằng siêu âm là kỹ thuật hiệu quả và đáng tin cậy để sản xuất các tấm nano 2D đơn lớp từ vật liệu tiền chất có cấu trúc lớp. Bóc tách bằng siêu âm đã được ứng dụng để sản xuất các tấm nano xene chất lượng cao ở quy mô công nghiệp.

Xene – Cấu trúc nano đơn lớp

Xene là các vật liệu nano đơn nguyên tố, đơn lớp (2D), có cấu trúc giống graphene, liên kết cộng hóa trị trong lớp và lực van der Waals yếu giữa các lớp. Ví dụ về các vật liệu thuộc nhóm xene gồm borophene, silicene, germanene, stanene, phosphorene (phốt pho đen), arsenene, bismuthene, tellurene và antimonene. Nhờ cấu trúc 2D đơn lớp, các vật liệu nano xene có diện tích bề mặt rất lớn cũng như khả năng phản ứng hóa học và vật lý được cải thiện. Những đặc điểm cấu trúc này mang lại cho vật liệu nano xene các tính chất quang tử, xúc tác, từ và điện tử ấn tượng, khiến các cấu trúc nano này rất được quan tâm trong nhiều ứng dụng công nghiệp. Hình bên trái cho thấy các ảnh SEM của borophene được bóc tách bằng siêu âm.

Sản xuất vật liệu nano xene bằng phương pháp tách lớp siêu âm

Bóc tách vật liệu nano có cấu trúc lớp trong chất lỏng: Các tấm nano 2D đơn lớp được sản xuất từ các vật liệu vô cơ có cấu trúc lớp (ví dụ: graphite), gồm các lớp chủ xếp chồng lỏng lẻo, có khoảng cách giữa các lớp giãn nở hoặc trương nở khi một số ion và/hoặc dung môi xen cài vào. Quá trình bóc tách, trong đó pha có cấu trúc lớp bị tách thành các tấm nano, thường đi kèm với sự trương nở do lực hút tĩnh điện giữa các lớp suy yếu nhanh chóng, tạo ra các hệ phân tán keo của từng lớp hoặc tấm 2D riêng lẻ. (xem Geng et al, 2013) Nhìn chung, sự trương nở được biết là tạo thuận lợi cho quá trình bóc tách bằng siêu âm và tạo ra các tấm nano mang điện tích âm. Tiền xử lý hóa học cũng tạo thuận lợi cho quá trình bóc tách bằng siêu âm trong dung môi. Ví dụ, việc chức năng hóa cho phép bóc tách các hydroxit kép dạng lớp (LDHs) trong cồn. (xem Nicolosi et al., 2013)
Để bóc tách / tách lớp bằng siêu âm, vật liệu có cấu trúc lớp được cho tiếp xúc với sóng siêu âm mạnh trong dung môi. Khi sóng siêu âm có mật độ năng lượng cao được truyền vào chất lỏng hoặc huyền phù, hiện tượng xâm thực âm, còn gọi là xâm thực siêu âm, xảy ra. Xâm thực siêu âm được đặc trưng bởi sự sụp đổ của các bọt chân không. Sóng siêu âm truyền qua chất lỏng và tạo ra các chu kỳ áp suất thấp / áp suất cao luân phiên. Các bọt chân không cực nhỏ hình thành trong một chu kỳ áp suất thấp (giãn) và phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất thấp / áp suất cao. Khi một bọt xâm thực đạt đến mức không thể hấp thụ thêm năng lượng, bọt sụp đổ dữ dội vào bên trong và tạo ra các điều kiện cục bộ có mật độ năng lượng rất cao. Một điểm nóng xâm thực được đặc trưng bởi áp suất và nhiệt độ rất cao, các chênh lệch áp suất và nhiệt độ tương ứng, các tia chất lỏng tốc độ cao và lực cắt. Các lực cơ học và hóa học do siêu âm này đẩy dung môi vào giữa các lớp xếp chồng và phá vỡ các cấu trúc hạt và tinh thể có dạng lớp, qua đó tạo ra các tấm nano đã được bóc tách. Chuỗi hình ảnh bên dưới minh họa quá trình bóc tách bằng xâm thực siêu âm.

Một chuỗi khung hình tốc độ cao (từ a đến f) minh họa quá trình bóc tách cơ học bằng siêu âm một mảnh graphite trong nước bằng UP200S, một máy siêu âm 200W với đầu dò siêu âm 3-mm. Các mũi tên chỉ vị trí tách (bóc tách), với các bọt xâm thực xâm nhập vào khe tách.
© Tyurnina et al. 2020 (CC BY-NC-ND 4.0)

Mô hình hóa cho thấy rằng nếu năng lượng bề mặt của dung môi tương tự năng lượng bề mặt của vật liệu phân lớp, chênh lệch năng lượng giữa trạng thái đã bóc tách và trạng thái tái kết tụ sẽ rất nhỏ, làm mất động lực tái kết tụ. So với các phương pháp khuấy và cắt khác, thiết bị khuấy siêu âm cung cấp nguồn năng lượng hiệu quả hơn cho quá trình bóc tách, qua đó chứng minh khả năng bóc tách có sự hỗ trợ của quá trình xen cài ion đối với TaS₂, NbS₂ và MoS₂, cũng như các oxit phân lớp. (tham khảo Nicolosi và cộng sự, 2013)

Ảnh TEM của các tấm nano được bóc tách trong pha lỏng bằng siêu âm: (A) Một tấm nano graphene được bóc tách bằng xử lý siêu âm trong dung môi N-methyl-pyrrolidone. (B) Một tấm nano h-BN được bóc tách bằng xử lý siêu âm trong dung môi isopropanol. (C) Một tấm nano MoS2 được bóc tách bằng xử lý siêu âm trong dung dịch chất hoạt động bề mặt trong nước.
(Nghiên cứu và hình ảnh: ©Nicolosi và cộng sự, 2013)

Các quy trình bóc tách trong pha lỏng bằng siêu âm

Quá trình bóc tách và tách lớp xenes cùng các vật liệu nano đơn lớp khác bằng siêu âm đã được nghiên cứu sâu rộng và chuyển giao thành công sang giai đoạn sản xuất công nghiệp. Dưới đây, chúng tôi giới thiệu một số quy trình bóc tách được chọn lọc sử dụng xử lý siêu âm.

Bóc tách các phiến nano phosphorene bằng siêu âm

Phosphorene (còn được gọi là phốt pho đen, BP) là vật liệu đơn nguyên tố có cấu trúc phân lớp 2D, được hình thành từ các nguyên tử phốt pho.
Nghiên cứu của Passaglia và cộng sự (2018) trình bày việc điều chế các huyền phù phosphorene – methyl methacrylate ổn định bằng cách bóc tách bP trong pha lỏng (LPE) có hỗ trợ siêu âm với sự hiện diện của MMA, sau đó tiến hành trùng hợp gốc tự do. Methyl methacrylate (MMA) là một monome dạng lỏng.

Quy trình bóc tách phosphorene trong pha lỏng bằng siêu âm

Các huyền phù MMA_bPn, NVP_bPn và Sty_bPn được thu nhận bằng LPE với sự hiện diện của riêng monome. Trong một quy trình điển hình, ∼5 mg bP được nghiền kỹ trong cối, cho vào ống nghiệm, sau đó thêm một lượng MMA, Sty hoặc NVP đã được cân. Huyền phù bP trong monome được xử lý siêu âm trong 90 min bằng máy đồng hóa Hielscher Ultrasonics UP200St (200W, 26kHz), được trang bị đầu dò siêu âm S26d2 (đường kính đầu: 2 mm). Biên độ siêu âm được duy trì không đổi ở 50% với P = 7 W. Trong mọi trường hợp, bể nước đá được sử dụng để cải thiện khả năng tản nhiệt. Sau đó, các huyền phù MMA_bPn, NVP_bPn và Sty_bPn cuối cùng được sục N2 trong 15 min. Tất cả các huyền phù đều được phân tích bằng DLS, cho thấy các giá trị rH rất gần với giá trị của DMSO_bPn. Ví dụ, huyền phù MMA_bPn (có hàm lượng bP khoảng 1%) có rH = 512 ± 58 nm.
Trong khi các nghiên cứu khoa học khác về phosphorene báo cáo thời gian xử lý siêu âm kéo dài vài giờ khi sử dụng bể rửa siêu âm, dung môi có điểm sôi cao và hiệu suất thấp, nhóm nghiên cứu của Passaglia trình bày một quy trình bóc tách bằng siêu âm có hiệu suất cao sử dụng máy siêu âm dạng đầu dò (cụ thể là máy siêu âm Hielscher model UP200St).

Bóc tách các tấm nano đơn lớp bằng siêu âm

Để tìm hiểu thêm các chi tiết cụ thể và quy trình bóc tách các tấm nano borophene và oxit rutheni, vui lòng truy cập các liên kết dưới đây:
Borophene: Vui lòng nhấp vào đây để xem các quy trình xử lý siêu âm và kết quả bóc tách borophene bằng siêu âm!
RuO2: Vui lòng nhấp vào đây để xem các quy trình xử lý siêu âm và kết quả bóc tách các tấm nano oxit rutheni bằng siêu âm!

Bóc tách các tấm nano silica ít lớp bằng siêu âm

Các tấm nano silica ít lớp đã bóc tách được điều chế từ vermiculite tự nhiên (Verm) bằng phương pháp bóc tách bằng siêu âm. Để tổng hợp các tấm nano silica đã bóc tách, phương pháp bóc tách trong pha lỏng sau đây được áp dụng: 40 mg tấm nano silica được phân tán trong 40 mL etanol tuyệt đối. Sau đó, hỗn hợp được xử lý bằng siêu âm trong 2 h bằng thiết bị xử lý siêu âm Hielscher UP200St, được trang bị đầu sonotrode 7 mm. Biên độ sóng siêu âm được giữ không đổi ở mức 70%. Bể nước đá được sử dụng để tránh quá nhiệt. SN chưa bóc tách được loại bỏ bằng cách ly tâm ở 1000 rpm trong 10 min. Cuối cùng, sản phẩm được gạn và sấy khô qua đêm ở nhiệt độ phòng trong điều kiện chân không. (xem Guo và cộng sự, 2022)

Đầu dò và thiết bị phản ứng siêu âm công suất cao để bóc tách các tấm nano xenes

Hielscher Ultrasonics thiết kế, sản xuất và phân phối các thiết bị siêu âm bền chắc và đáng tin cậy ở mọi kích cỡ. Từ các thiết bị siêu âm nhỏ gọn dùng trong phòng thí nghiệm đến các đầu dò và thiết bị phản ứng siêu âm công nghiệp, Hielscher có hệ thống siêu âm lý tưởng cho quy trình của bạn. Với kinh nghiệm lâu năm trong các ứng dụng như tổng hợp và phân tán vật liệu nano, đội ngũ nhân viên được đào tạo bài bản của chúng tôi sẽ đề xuất cấu hình phù hợp nhất với yêu cầu của bạn. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp Hielscher được biết đến là những cỗ máy làm việc bền bỉ, đáng tin cậy trong các cơ sở công nghiệp. Với khả năng tạo ra biên độ rất cao, các thiết bị siêu âm Hielscher lý tưởng cho các ứng dụng hiệu suất cao như tổng hợp xenes và các vật liệu nano đơn lớp 2D khác như borophene, phosphorene hoặc graphene, cũng như phân tán các cấu trúc nano này một cách đáng tin cậy.
Siêu âm có công suất đặc biệt mạnh mẽ: Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics có thể tạo ra biên độ rất cao. Có thể dễ dàng duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có các đầu sonotrode siêu âm được tùy chỉnh theo yêu cầu.
Chất lượng cao nhất – Thiết kế và sản xuất tại Đức: Tất cả thiết bị đều được thiết kế và sản xuất tại trụ sở chính của chúng tôi ở Đức. Trước khi giao cho khách hàng, mỗi thiết bị siêu âm đều được kiểm tra kỹ lưỡng ở chế độ đầy tải. Chúng tôi nỗ lực mang lại sự hài lòng cho khách hàng và hoạt động sản xuất của chúng tôi được tổ chức để đáp ứng các yêu cầu đảm bảo chất lượng cao nhất (ví dụ: chứng nhận ISO).

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: