Нанолистове от рутениев оксид чрез ултразвуково ексфолиране

Еднослойни нанолистове от рутениев оксид могат да се произвеждат ефективно чрез ултразвукова обработка със сонда. Основните предимства на ултразвуковото ексфолиране на нанолистове са ефективността на процеса, високите добиви, кратката обработка и лесната, безопасна работа. Благодарение на високата си ефективност и превъзходното качество на получените нанолистове ултразвуковата обработка се използва за промишленото производство на множество видове нанолистове, включително графен и борофен.

Ултразвуково ексфолиране на нанолистове от рутениев оксид

Нанолистовете от рутениев оксид (RuO2, известен също като рутенат) притежават уникални свойства като висока електропроводимост, ниско специфично електрическо съпротивление, висока стабилност, висока работа на отделяне и добра податливост на сухо ецване. Това прави рутениевия оксид добър материал за електроди в устройства за памет и транзистори.

Изображения от сканираща електронна микроскопия (SEM) на ексфолирани нанолистове от RuO2 след а) 1 минута и б) 7 минути ултразвукова обработка.
(изследване и изображения: ©Kim et al., 2021)

Практическо изследване: високоефективно ексфолиране на RuO2 с ултразвуков апарат със сонда

Kim et al. (2021) показват в своето изследване значителното подобрение на ексфолирането на еднослойни нанолистове от рутениев оксид. Изследователят постига високи добиви на тънки листове от металния оксид RuO2 чрез ултразвукова обработка. Конвенционалният процес на интеркалация чрез йонообменни реакции е бавен и произвежда само ограничени количества двумерни (2D) нанолистове поради размера на молекулите и химичната енергия, необходима за реакцията. За да ускорят процеса и да увеличат количеството на произведените нанолистове от рутениев оксид, те интензифицират процеса на ексфолиране чрез прилагане на ултразвукова енергия към разтвора на оксида RuO2. Те установяват, че само след 15 минути ултразвукова обработка количеството на листовете се увеличава с над 50%, като едновременно с това страничният размер на листовете намалява. Изчисленията по теорията на функционала на плътността показват, че енергията на активация за ексфолирането се понижава значително чрез разделяне на слоевете RuO2 на части с малък страничен размер. Това намаляване на размера се получава, защото ултразвуковата обработка спомага за по-лесното разделяне на слоевете на металния оксид. Това изследване подчертава, че използването на ултразвук е добър и лесен начин за получаване на еднослойни нанолистове от рутениев оксид. То показва, че подпомаганият с ултразвук йонообменен процес предлага лесен и ефективен подход за получаване на 2D нанолистове от метални оксиди. Предимствата на ултразвуковото ексфолиране обясняват защо ултразвуковото ексфолиране и разслояване се използват широко като производствена техника за 2D наноматериали, известни също като ксени, включително графен и борофен.

Ултразвуковото ексфолиране подпомага високоефективното и ускорено производство на 2D нанолистове от рутениев оксид в голям мащаб
(изследване и изображения: ©Kim et al., 2021).

Протокол за подпомагано с ултразвук ексфолиране на рутениев оксид

Следният протокол представлява инструкция стъпка по стъпка за синтезиране на нанолистове от RuO2 чрез подпомаган с ултразвук процес на йонообменна реакция, както е описан от Kim et al. (2021).
 

1. Пригответе разтвор на RuO2 и интеркалиращ агент, като ги разтворите в разтворител (2-propanol) и разбърквате до 3 дни.
2. Приложете ултразвукова енергия към разтвора за 15 минути с помощта на ултразвуков апарат със сонда (напр. ултразвуков апарат със сонда UP1000hdT (1000W, 20kHz) със сонотрод BS4d22), за да увеличите добива на нанолистове от RuO2 с над 50% и да разделите слоевете RuO2 на части с еднакво малък страничен размер.
3. Използвайте изчисления по теорията на функционала на плътността, за да потвърдите, че енергията на активация за ексфолирането е значително понижена.
4. Съберете получените нанолистове от RuO2, които могат да се използват за различни приложения.

 
Простотата на този протокол за ултразвуково ексфолиране на нанолистове от RuO2 подчертава предимствата на ултразвуковото производство на нанолистове. Ултразвуковата обработка е високоефективна техника за получаване на висококачествени еднослойни нанолистове от RuO2 с дебелина приблизително 1 nm. Установено е също, че протоколът може да се мащабира и възпроизвежда, което го прави подходящ за производство на нанолистове от RuO2 в голям мащаб за различни приложения в електрониката, катализата и съхранението на енергия.
 
Прочетете повече за сонохимичния синтез на нанолюспи от SnOx!
 

Високоскоростна поредица от кадри (от a до f), илюстриращи сономеханичното ексфолиране на графитна люспа във вода с помощта на UP200S, ултразвуков апарат с мощност 200W и сонотрод с диаметър 3 mm. Стрелките показват мястото на разделяне (ексфолиране), като кавитационни мехурчета проникват в образуваната цепнатина.
(изследване и изображения: © Tyurnina et al. 2020

Високопроизводителни ултразвукови апарати за ексфолиране на RuO2

За производството на висококачествени нанолистове от рутениев оксид и други ксени е необходимо надеждно високопроизводително ултразвуково оборудване. Амплитудата, налягането и температурата са основни параметри, които са от решаващо значение за възпроизводимостта и постоянните характеристики на продукта. Процесорите на Hielscher Ultrasonics са мощни системи с прецизно управление, които позволяват точно задаване на параметрите на процеса и непрекъснато подаване на ултразвук с висока мощност. Промишлените ултразвукови апарати на Hielscher могат да осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат лесно да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по индивидуални изисквания. Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява работа 24/7 при тежки натоварвания и в условия с високи изисквания.
Нашите клиенти са удовлетворени от изключителната здравина и надеждност на системите на Hielscher Ultrasonics. Инсталирането в области на приложение с тежки натоварвания (напр. обработка на наноматериали в голям мащаб), в условия с високи изисквания и работата 24/7 осигуряват ефективна и икономична обработка. Ултразвуковото интензифициране на процесите съкращава времето за обработка и постига по-добри резултати, т.е. по-високо качество, по-високи добиви, иновативни продукти.

Проектиране, производство и консултации – качество, произведено в Германия

Ултразвуковите апарати на Hielscher са добре известни със своите най-високи стандарти за качество и проектиране. Здравината и лесната работа позволяват безпроблемното интегриране на нашите ултразвукови апарати в промишлени съоръжения. Ултразвуковите апарати на Hielscher лесно се справят със суровите условия и средите с високи изисквания.

Hielscher Ultrasonics е сертифицирана по ISO компания и поставя специален акцент върху високопроизводителни ултразвукови апарати, отличаващи се с най-съвременна технология и удобство за потребителя. Разбира се, ултразвуковите апарати на Hielscher съответстват на изискванията за CE и отговарят на изискванията на UL, CSA и RoHs.

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати: