5. Rezultati
5.2. Borofenske nanoploščice
5.5.1. Primerjava optičnih lastnosti mnogoplastnega ter nekajplastnega borofena
43
5.5.1. Primerjava optičnih lastnosti mnogoplastnega ter nekajplastnega borofena
Optične lastnosti borofenskih nanoploščic sem primerjal z absorpcijskim spektrom kompozitnega premaza dopiranega s prekurzorskim materialom, nanešenega na enak substrat (slika 31) [32].
Ker je bil pri teh meritvah mnogoplastni borofen vgrajen v premaz, je direktna primerjava rezultatov sicer sporna, a nam vseeno omogoča pridobitev okvirnih informacij o razlikah v učinkovitosti obeh materialov. Premaz s prekurzorskim materialom je bil pomerjen takoj po pripravi, ter ponovno po 2 urah na 600°C.
Slika 31: Solarna absorpcija prekurzorskega materiala vgrajenega v premaz pred in po sušenju na 600°C [32], v primerjavi z idealnim spektralno selektivnim materialom ter AM 1,5 solarnim spektrom.
Primerjava optičnih lastnosti obeh materialov predlaga, da je prekurzorski material veliko bolj efektiven pri absorpciji svetlobe kot nanoploščice. Razlika se močno poveča predvsem po visokotemperaturnem zamreţevanju kompozita s prekurzorjem, zato bi bilo zanimivo preveriti vpeljavo nanoploščic v kompozit.
Kot je pričakovano za vse nanodelce, imajo nanoploščice sicer veliko prednost na področju termične emisivnosti, saj je ta kar 2x manjša kot v primeru prekurzorskega materiala.
Borofenske nanoploščice sicer izraţajo rahlo spektralno selektivnost, vendar je ta v primerjavi z ostalimi spektralno selektivnimi materiali prešibka, solarna absorpcija pa premajhna, da bi lahko upravičili njihovo uporabo v SSA. Veliko bolj verjetna je uporaba nanoploščic v okoljih, kjer bi do izraza prišla visoka absorpcija v UV območju.
Čeprav je efekt spektralne selektivnosti manjši od pričakovanj, smo s to ugotovitvijo potrdili tudi tretjo hipotezo magistrske naloge.
44
5.6. Protikorozijske lastnosti 5.6.1. Potenciodinamične meritve
Rezultati potenciodinamičnih meritev so prikazani v obliki grafa toka v odvisnosti od potenciala. Iz njega lahko razberemo anodno in katodno obnašanje, korozijski tok ter korozijsko napetost.
Slika 32: Rezultati potenciodinamičnih meritev kompozita na jeklu.
Kot je razvidno iz zgornjega grafa, uporaba borofenskih nanoploščic na protikorozijsko zaščito jekla nima velikega vpliva. Korozijski tok ter korozijska napetost sta skoraj identična v kompozitih brez in z borofenskimi nanodelci. Opazno je, da se pri tem anodni in katodni tok povečujeta s količino dopiranih ploščic, kar se sklada s pertubacijsko teorijo nanodelcev.
Katodni tok na delovni elektrodi se v primeru najniţje koncentracije borofena v kompozitu sicer zniţa, a le za pol dekade, kar ne nudi bistveno boljše korozijske zaščite.
45
Veliko večji vpliv pa imajo borofenski nanodelci na protikorozijsko zaščito bakra.
Slika 33: Rezultati potenciodinamičnih meritev kompozita na kemijsko naprašenem bakru.
Trend zviševanja toka s povečevanjem koncentracije dopiranih nanoploščic je na bakru veliko bolj izrazit, celo do točke kjer najvišja koncentracija nanodelcev skoraj v celoti izniči protikorozijsko zaščito samega kompozita. Dodatno zviševanje količine dopiranih nanodelcev bi verjetno omogočilo doseg pertubacijske točke.
Prav obratno pa velja za kompozit dopiran z 0,1% borofena, ki v primerjavi z nedopiranim kompozitom tako korozijski kot anodni tok zmanjša za 90%, katodni tok pa kar za dve dekadi oziroma 95-99%.
Rezultati potenciodinamičnih meritev dokazujejo, da je uporaba borofenskih nanoploščic v kompozitnih premazih izjemno učinkovita za zmanjševanje korozijskih tokov na določenih materialih, s čimer nudi odlično protikorozijsko zaščito. Pri tem je treba biti zelo pozoren na količino dopiranih nanodelcev, saj se je izkazalo, da je efekt v primeru previsoke koncentracije ravno nasproten.
Glede na rezultate so borofenske nanoploščice izjemno atraktivne za uporabo tako v protikorozijske namene, kot tudi za dvig električne upornosti izolatorskih materialov. S to ugotovitvijo smo potrdili tudi četrto in s tem zadnjo hipotezo moje magistrske naloge.
46
47
6. Zaključek
V okviru magistrskega dela sem močno razširil raziskovalno področje, središče katerega je mnogoplasten borov alotrop – borofen. Slednjega sem prvič sintetiziral ţe leta 2019 v okviru svoje diplomske naloge. Raziskave sem nadaljeval z detajlno optimizacijo sinteze mnogoplastnega borofena, pri čimer sem razloţil razlog in vpliv nastanka neţelenih nečistoč, kar poleg čistejšega produkta rezultira tudi v višjem izkoristku procesa. Poleg tega sem prvič dokazal tudi plastovitost materiala po celotnem volumnu, kar mi je dalo odlično podlago za njegovo razplastitev.
Za doseganje superiornih lastnosti borofena, ki so široko predvidevane v literaturi, je potrebna večja količina borofenskih nanoplasti, ki jih prej poznane CVD in MBE metode ne morejo zagotoviti. Sam sem se problema lotil na drug način, z uporabo sinteze od zgoraj navzdol. S pomočjo eksfoliacije v suspenziji sem uspel razplastiti mnogoplasten borofen na eno in nekajplastne ploščice, katerih povprečna debelina ne presega 10 nm. Poleg optimalnih eksfoliacijskih pogojev mi je uspelo odkriti tudi zanesljiv način za izolacijo delcev v suho stanje, kar izrazito olajša njihovo nadaljnjo uporabo.
Določanje morfoloških lastnosti ter splošna karakterizacija nanoploščic lahko poteče le, če smo te sposobni kontrolirano nanašati na razne površine. V ta namen sem preizkusil različne načine nananašanja delcev ter odkril na kaj moramo biti pri nanašanju pozorni. Izkazalo se je, da je zveznost nanosov najboljša, če uporabljamo 1% metanolno suspenzijo. Spuščanje gladine omogoča nanos homogene enojne plasti, z uporabo razpršilne pištole pa lahko relativno učinkovito nadziramo debelino, kadar potrebujemo debelejše nanose.
Ker je bil eden izmed glavnih namenov magistrske naloge karakterizacija spektralne selektivnosti eno in nekajplastnega borofena, sem delcem s pomočjo spektrofotometra določil optične lastnosti. Solarna absorpcija ter termična emisivnost po širini solarnega spektra nista najboljši, zato nanoploščice niso primerne za uporabo v spektralno selektivnih premazih.
Kljub temu sem dokazal, da delci omogočajo rahlo spektralno selektivnost, predvsem v UV delu spektra, kjer solarna absorpcija presega 90%. Za še posebej zanimivo se izkazalo tudi dejstvo, da je valovna dolţina absorbirane svetlobe močno odvisna od debeline nanešenega filma. Glede na to, da slednjo lahko nadzorujem relativno preprosto, mi ta odvisnost omogoča nadzor nad valovno dolţino absorbirane svetlobe. Materiali s takimi lastnostmi so redki ter široko uporabni, zato sem prepričan, da imajo borofenske nanoploščice na tem področju velik potencial.
Poleg solarnih aplikacij sem delce preizkusil tudi v kompozitu namenjenem za protikorozijsko zaščito. Ugotovil sem, da so manjše koncentracije dopiranih delcev na določenih podlagah sposobne tudi do 100x upočasniti proces korozije, medtem ko višje koncentracije učinkovito zvišujejo električno prevodnost izolatorjev.
Prepričan sem, da bo uporaba borofenski nanoploščic v različnih aplikacijah podala še kopico vzpodbudnih rezultatov in s tem pripomogla k naslednjemu koraku v svetu nanomaterialov.
48
49
7. Literatura
[1] The world Counts, „Current world energy consumption“, 2021. [Na spletu]. Dostopno:
https://www.theworldcounts.com/stories/current_world_energy_consumption. and its potential applications“, Front. Phys., št. 14, 2019.
[6] U. Sajevic, „Sinteza in elektrokemijska karakterizacija borofenov“, 2019.
[7] K. S. Novoselov idr., „Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films Supplementary“, Science (80-. )., št. 5, str. 1–12, 2004.
[8] T. Hu, X. Mei, Y. Wang, X. Weng, R. Liang, in M. Wei, „Two-dimensional nanomaterials: fascinating materials in biomedical field“, Sci. Bull., št. 64, str. 1707–
1727, 2019.
[9] M. Benelmekki, „Two-dimensional nanomaterials“, Nanomaterials, 2019.
[10] C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar, in J. Hone, „Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer graphene“, Science (80-. )., št. 321, str. 385–388, 2008.
[11] Toolbox, „Young’s modulus, TeToolbox,nsile Strength“, 2019. [Na spletu]. Dostopno:
https://www.engineeringtoolbox.com/young-modulus-d_417.html.
[12] K. S. Novoselov idr., „Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene“, Nature, št. 438, str. 197–200, 2005.
[13] S. A. Awan idr., „Transport conductivity of graphene at RF and microwave frequencies“, 2D Mater., št. 3, 2016.
[14] A. A. Balandin idr., „Superior thermal conductivity of single-layer graphene“, Nano Lett., št. 8, str. 902–907, 2008.
[15] C. Fang, J. Zhang, X. Chen, in G. J. Weng, „Calculating the electrical conductivity of graphene nanoplatelet polymer composites by a monte carlo method“, Nanomaterials, št. 10, str. 1–15, 2020.
[16] A. J. Mannix idr., „Synthesis of borophenes: Anisotropic, two-dimensional boron polymorphs“, Science (80-. )., št. 350, str. 1513–1516, 2015.
[17] B. Feng idr., „Experimental realization of two-dimensional boron sheets“, Nat. Chem., št. 8, str. 563–568, 2016.
[18] X. Wu, J. Dai, Y. Zhao, Z. Zhuo, J. Yang, in X. C. Zeng, „Two-dimensional boron
50
monolayer sheets“, ACS Nano, št. 8, str. 7443–7453, 2012.
[19] W. Li idr., „Experimental realization of honeycomb borophene“, Sci. Bull., št. 63, str.
282–286, 2018.
[20] C. Hou, G. Tai, Z. Wu, in J. Hao, „Borophene: Current Status, Challenges and Opportunities“, Chempluschem, št. 85, str. 2186–2196, 2020.
[21] Ţ. Velišček, „Priprava in karakterizacija zlitin v sistemu litij-bor : diplomsko delo“, 2010.
[22] H. Wang, Q. Li, Y. Gao, F. Miao, X. F. Zhou, in X. G. Wan, „Strain effects on borophene: Ideal strength, negative Possion’s ratio and phonon instability“, New J.
Phys., št. 18, str. 1–17, 2016.
[23] B. Peng, H. Zhang, H. Shao, Y. Xu, R. Zhang, in H. Zhu, „The electronic, optical, and thermodynamic properties of borophene from first-principles calculations“, J. Mater.
Chem. C, št. 16, str. 3592–3598, 2016.
[24] L. Shi, T. Zhao, A. Xu, in J. Xu, „Ab initio prediction of borophene as an extraordinary anode material exhibiting ultrafast directional sodium diffusion for sodium-based batteries“, Sci. Bull., št. 61, str. 1138–1144, 2016.
[25] H. Zhou, Y. Cai, G. Zhang, in Y. W. Zhang, „Superior lattice thermal conductance of single-layer borophene“, npj 2D Mater. Appl., št. 1, str. 1–25, 2017.
[26] R. Pranay in K. S. Tumesh, „Freestanding Borophene and Its Hybrids“, Adv. Sci., št.
31, 2019.
[27] Wikipedia, „Borophene“, 2022. [Na spletu]. Dostopno:
https://en.wikipedia.org/wiki/Borophene.
[28] P. Ranjan idr., „Freestanding Borophene and Its Hybrids“, Adv. Mater., št. 31, str. 1–8, 2019.
[29] B. Feng idr., „Dirac Fermions in Borophene“, Phys. Rev. Lett., št. 118, str. 1–6, 2017.
[30] D. Li idr., „2D Boron Sheets: Structure, Growth, and Electronic and Thermal Transport Properties“, Adv. Funct. Mater., št. 30, str. 1–32, 2020.
[31] E. Cizel, „Sinteza in karakterizacija zlitin v sistemu Li - B : magistrsko delo“, 2017.
[32] L. Noč, Ţ. Velišček, B. Genorio, in I. Jerman, „MXene-like Borophene Pigment for High Performance Absorber Coating“, str. 600, 2014.
[33] L. Kou, T. Frauenheim, in C. Chen, „Phosphorene as a superior gas sensor: Selective adsorption and distinct i - V response“, J. Phys. Chem. Lett., št. 15, str. 2675–2681, 2014.
[34] V. Shukla, J. Wärnå, N. K. Jena, A. Grigoriev, in R. Ahuja, „Toward the Realization of 2D Borophene Based Gas Sensor“, J. Phys. Chem. C, št. 121, str. 26869–26876, 2017.
[35] C. S. Huang, A. Murat, V. Babar, E. Montes, in U. Schwingenschlögl, „Adsorption of
51
the Gas Molecules NH3, NO, NO2, and CO on Borophene“, J. Phys. Chem. C, št 26, str. 14665–14670, 2018.
[36] F. Opoku in P. P. Govender, „Highly Selective and Sensitive Detection of Formaldehyde by β12-Borophene/SnO2Heterostructures: The Role of an External Electric Field and In-Plain Biaxial Strain“, J. Phys. Chem. A, št. 11, str. 2288–2300, 2020.
[37] Y. Chen idr., „Highly Active, Nonprecious Electrocatalyst Comprising Borophene Subunits for the Hydrogen Evolution Reaction“, J. Am. Chem. Soc., št. 139, str.
12370–12373, 2017.
[38] Y. Singh, S. Back, in Y. Jung, „Computational exploration of borophane-supported single transition metal atoms as potential oxygen reduction and evolution electrocatalysts“, Phys. Chem. Chem. Phys., št. 20, str. 21095–21104, 2018.
[39] L. Li, H. Zhang, in X. Cheng, „The high hydrogen storage capacities of Li-decorated borophene“, Comput. Mater. Sci., št. 137, str. 119–124, 2017.
[40] C. Ataca, E. Aktürk, S. Ciraci, in H. Ustunel, „High-capacity hydrogen storage by metallized graphene“, Appl. Phys. Lett., št. 93, str. 1–4, 2008.
[41] L. Wang, X. Chen, H. Du, Y. Yuan, H. Qu, in M. Zou, „First-principles investigation on hydrogen storage performance of Li, Na and K decorated borophene“, Appl. Surf.
Sci., št. 427, str. 1030–1037, 2018.
[42] X. Li, X. Tan, Q. Xue, in S. Smith, „Charge-controlled switchable H2 storage on conductive borophene nanosheet“, Int. J. Hydrogen Energy, št. 44, str. 20150–20157, 2019.
[43] Y. Duo idr., „Borophene-based biomedical applications: Status and future challenges“, Coord. Chem. Rev., št. 427, str. 213549, 2021.
[44] D. Rao idr., „Ultrahigh energy storage and ultrafast ion diffusion in borophene-based anodes for rechargeable metal ion batteries“, J. Mater. Chem. A, št. 5, str. 2328–2338, 2017.
[45] P. Liang idr., „Is borophene a suitable anode material for sodium ion battery?“, J.
Alloys Compd., št. 704, str. 152–159, 2017.
[46] E. Frackowiak, „Carbon materials for supercapacitor application“, Phys. Chem. Chem.
Phys., št. 9, str. 1774–1785, 2007.
[47] H. Li idr., „Scalable Production of Few-Layer Boron Sheets by Liquid-Phase Exfoliation and Their Superior Supercapacitive Performance“, ACS Nano, št. 12, str.
1262–1272, 2018.
[48] Z. Li idr., „2D Metal-Free Nanomaterials Beyond Graphene and Its Analogues toward Electrocatalysis Applications“, Adv. Energy Mater., št. 25, str. 1–13, 2021.
[49] M. A. Krishnan idr., „Graphene-based anticorrosive coatings for copper“, RSC Adv., št. 8, str. 499–507, 2018.
[50] Z. P. Yang idr., „Experimental observation of extremely weak optical scattering from
52
an interlocking carbon nanotube array“, Appl. Opt., št. 50, str. 1850–1855, 2011.
[51] Q. Liao, P. Zhang, H. Yao, H. Cheng, C. Li, in L. Qu, „Reduced Graphene Oxide–
Based Spectrally Selective Absorber with an Extremely Low Thermal Emittance and High Solar Absorptance“, Adv. Sci., št. 7, 2020.
[52] J. Wu, „Tunable ultranarrow spectrum selective absorption in a graphene monolayer at terahertz frequency“, J. Phys. D. Appl. Phys., št. 49, str. 215108, 2016.
[53] C. A. Bishop, Vacuum Deposition onto Webs, Films and Foils. 2011.
[54] M. Maaza, B. D. Ngom, Z. Y. Nuru, in S. Khamlich, „Surface-Interface Investigation and Stability of Cermet-Based Solar Absorbers by Grazing Angle X-Rays Reflectometry: Pt-Al2O3 Case“, Arab. J. Sci. Eng., št. 39, str. 5825–5846, 2014.
[55] Sun.org, „Black body radiation“, 2021. [Na spletu]. Dostopno:
https://www.sun.org/encyclopedia/black-body-radiation.
[56] S. E. Unit in N. Road, „Spectrally selective solar absrober coatings“, Appl. Energy, št.
2, str. 251–262, 1979.
[57] C. G. Granqvist, „Spectrally selective coatings for energy efficiency and solar applications“, št. 401.
[58] F. Cao, K. McEnaney, G. Chen, in Z. Ren, „A review of cermet-based spectrally selective solar absorbers“, Energy Environ. Sci., št. 7, str. 1615–1627, 2014.
[59] I. Jerman, M. Koţelj, in B. Orel, „The effect of polyhedral oligomeric silsesquioxane dispersant and low surface energy additives on spectrally selective paint coatings with self-cleaning properties“, Sol. Energy Mater. Sol. Cells, št. 94, str. 232–245, 2010.
[60] F. P. Ijsseling, „Electrochemical Methods in Crevice Corrosion Testing: Report prepared for the European Federation of Corrosion Working Party ‘Physico-chemical testing methods of corrosion: Fundamentals and applications’“, Br. Corros. J., št. 15, str. 51–69, 1980.
[61] F. Zhang, K. Németh, J. Bareño, F. Dogan, I. D. Bloom, in L. L. Shaw, „Experimental and theoretical investigations of functionalized boron nitride as electrode materials for Li-ion batteries“, RSC Adv., št. 6, str. 27901–27914, 2016.
[62] M. S. Si in D. S. Xue, „Magnetic properties of vacancies in a graphitic boron nitride sheet by first-principles pseudopotential calculations“, Phys. Rev. B - Condens. Matter Mater. Phys., št. 75, str. 1–4, 2007.
[63] N. R. Glavin idr., „Amorphous Boron Nitride: A Universal, Ultrathin Dielectric for 2D Nanoelectronics“, Adv. Funct. Mater., št. 26, str. 2640–2647, 2016.
[64] A. Griffin idr., „Effect of Surfactant Choice and Concentration on the Dimensions and Yield of Liquid-Phase-Exfoliated Nanosheets“, Chem. Mater., št. 32, str. 2852–2862, 2020.
53
[65] O. V. Pupysheva, A. A. Farajian, C. R. Knick, A. Zhamu, in B. Z. Jang, „Modeling direct exfoliation of nanoscale graphene platelets“, J. Phys. Chem. C, št. 114, str.
21083–21087, 2010.
[66] H. Ye, B. Han, H. Chen, in L. Xu, „The liquid-exfoliation of graphene assisted with hyperbranched polyethylene-g-polyhedral oligomeric silsesquioxane copolymer and its thermal property in polydimethylsiloxane nanocomposite“, Nanotechnology, št. 30, 2019.
[67] M. Bohorquez, C. Koch, T. Trygstad, in N. Pandit, „A study of the temperature-dependent micellization of pluronic F127“, J. Colloid Interface Sci., št. 216, str. 34–40, 1999.
[68] NREL energy, „AM 1,5 terrestrial solar spectrum“, 2021.