29.01.2021 - Rice University

Ein bisschen Seife vereinfacht die Herstellung von 2D-Nanoflocken

Experimente verfeinern die Verarbeitung von hexagonalem Bornitrid

Nur ein wenig Seife hilft, den anspruchsvollen Prozess der Herstellung von zweidimensionalem hexagonalem Bornitrid (hBN) zu verbessern.

Chemiker der Rice University haben einen Weg gefunden, die maximale Menge an hochwertigen 2D hBN-Nanosheets aus seiner natürlichen Bulk-Form zu erhalten, indem sie es mit Tensid (auch bekannt als Seife) und Wasser verarbeiten. Das Tensid umgibt und stabilisiert die mikroskopisch kleinen Flocken und bewahrt ihre Eigenschaften.

Experimente im Labor des Rice-Chemikers Angel Martí identifizierten den "Sweet Spot" für die Herstellung stabiler hBN-Dispersionen, die zu sehr dünnen antibakteriellen Filmen verarbeitet werden können, die Temperaturen von bis zu 900 Grad Celsius standhalten.

Die Arbeit von Martí, der Alumna Ashleigh Smith McWilliams und der Doktorandin Cecilia Martínez-Jiménez wird in der Zeitschrift ACS Applied Nano Materials der American Chemical Society ausführlich beschrieben.

"Bornitrid-Materialien sind interessant, vor allem weil sie extrem hitzebeständig sind", sagte Martí. "Sie sind so leicht wie Graphen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen, aber man kann hBN in eine Flamme legen und nichts passiert damit."

Er sagte, dass hBN als Bulkware billig und einfach zu erhalten ist, aber die Verarbeitung zu mikroskopischen Bausteinen war eine Herausforderung. "Der erste Schritt besteht darin, sie zu exfolieren und zu dispergieren, aber die Forschung darüber, wie man das macht, ist verstreut", sagte Martí. "Als wir uns entschieden, einen Maßstab zu setzen, stellten wir fest, dass die Prozesse, die für Graphen und Nanoröhren extrem nützlich waren, für Bornitrid nicht so gut funktionieren."

Das Beschallen von bulk hBN in Wasser hat das Material erfolgreich exfoliert und es löslich gemacht. "Das hat uns überrascht, denn Nanoröhren oder Graphen schwimmen einfach obenauf", sagte Martí. "Das hBN verteilte sich überall, obwohl es nicht besonders stabil war.

"Es stellte sich heraus, dass die Ränder der Bornitridkristalle aus Amin- und Stickoxidgruppen und Borsäure bestehen, und alle diese Gruppen sind polar (mit positiver oder negativer Ladung)", sagte er. "Wenn man sie also exfoliert, sind die Ränder voll von diesen funktionellen Gruppen, die wirklich Wasser mögen. Das passiert bei Graphen nie."

Experimente mit neun Tensiden halfen ihnen, genau den richtigen Typ und die richtige Menge zu finden, um 2D hBN vor dem Verklumpen zu bewahren, ohne einzelne Flocken während der Beschallung zu sehr zu zerschneiden. Die Forscher verwendeten 1 Gewichtsprozent jedes Tensids in Wasser, fügten 20 Milligramm Bulk-HBN hinzu und rührten und beschallten die Mischung dann.

Das Schleudern der resultierenden Lösungen bei niedrigen und hohen Geschwindigkeiten zeigte, dass die größte Ausbeute mit dem als PF88 bekannten Tensid bei einer 100-Gramm-Zentrifugation erzielt wurde, aber die hochwertigsten Nanosheets kamen von allen ionischen Tensiden bei einer 8.000-Gramm-Zentrifugation, wobei die größte Stabilität von den üblichen ionischen Tensiden SDS und CTAC erreicht wurde.

DTAB - kurz für Dodecyltrimethylammoniumbromid - erwies sich unter hoher Zentrifugation als am besten geeignet, um die Ausbeute und Qualität von 2D hBN auszugleichen. Die Forscher stellten auch einen transparenten Film aus in SDS und Wasser dispergierten hBN-Nanosheets her, um zu demonstrieren, wie diese zu nützlichen Produkten verarbeitet werden können.

"Wir beschreiben die Schritte, die man tun muss, um qualitativ hochwertige hBN-Flocken herzustellen", sagte Martí. "Alle Schritte sind wichtig, und wir konnten die Konsequenzen eines jeden einzelnen aufzeigen."

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