Monoslojni nanolistovi rutenij-oksida mogu se efikasno proizvesti ultrazvučnim tipom sondi. Glavne prednosti ultrazvučne eksfolijacije nanolistova su efikasnost procesa, visoki prinosi, kratki tretman i lak, siguran rad. Zbog svoje visoke efikasnosti i vrhunskog kvaliteta proizvedenih nanolistova, ultrazvučnost se koristi za industrijsku proizvodnju brojnih nanolistova, uključujući grafen i borofen.

Ultrazvučna eksfolijacija nanolistova rutenijum oksida

Rutenij-oksid (RuO2, poznat i kao rutenat) nanolistovi nude jedinstvene osobine kao što su visoka provodljivost, niska otpornost, visoka stabilnost, visoka funkcija rada i dobra osjetljivost na suhi bakrorez. To čini rutenij-oksid dobrim materijalom za elektrode u memorijskim uređajima i tranzistorima.

SEM slike eksfoliranih RuO2 nanolistova koristeći a) 1 minutu i b) 7 minuta ultrazvučnosti.
(studije i slike: ©Kim et al., 2021)

Studija slučaja: Visoko efikasna RuO2 eksfolijacija pomoću ultrazvučnika tipa sonde

Kim et al. (2021) su u svojoj studiji pokazali značajno poboljšanje pilinga monoslojnih nanolistova rutenij-oksida. Istraživač je stvorio visoke prinose tankih RuO2 metalnih oksidnih listova koristeći ultrazvučnu izolaciju. Konvencionalni proces interkalacije putem reakcija ionske razmjene je spor i proizvodi samo ograničene količine dvodimenzionalnih (2D) nanolistova zbog veličine molekula i hemijske energije potrebne za reakciju. Da bi proces bio brži i povećao količinu proizvedenih nanolistova rutenij-oksida, oni su intenzivirali proces pilinga primjenom ultrazvučne energije na rastvor RuO2 oksida. Otkrili su da se nakon samo 15 minuta ultrazvučne izolacije količina listova povećala za preko 50%, istovremeno se bočna veličina listova smanjila. Proračuni funkcionalne teorije gustoće pokazali su da se energija aktivacije pilinga značajno smanjuje cijepanjem slojeva RuO2 na malu bočnu veličinu. Do smanjenja ove veličine dolazi zato što je sonicacija pomogla da se slojevi metalnog oksida lakše razdvoje. Ovo istraživanje naglašava da je upotreba ultrazvuka dobar i jednostavan način za izradu jednoslojnih nanolistova rutenij-oksida. Ovo pokazuje da ultrazvučni podržani proces razmene jona nudi lak i efikasan pristup za proizvodnju nanolistova 2D metal-oksida. Primjeri ultarsonične eksfolijacije objašnjavaju zašto se ultrazvučna eksfolijacija i delaminacija široko koriste kao proizvodna tehnika za 2D nanomaterijale, poznate i kao ksen, uključujući grafen i borofen.

Ultrazvučna eksfolijacija promoviše visoko efikasnu i ubrzanu proizvodnju 2D nanolistova rutenijum oksida u velikim razmerama.
(Studija i slike: ©Kim et al., 2021).

Protokol za ultrazvučno potpomognutu eksfolijaciju rutenij-oksida

Sledeći protokol je korak po korak instrukcija za sintezu RuO2 nanolistova koristeći ultrazvučno podržan proces jonske razmene kao što je opisano od strane Kim et al. (2021).
 

1. Pripremite rastvor RuO2 i interkalant tako što ćete ih rastvoriti u rastvaraču (2-propanol) i mešati do 3 dana.
2. Nanesite ultrazvučnu energiju pomoću ultrazvučnika tipa sonde (npr. ultrazvučnik tipa sonde UP1000hdT (1000W, 20kHz) sa sonotrodom BS4d22) na rastvor na 15 minuta kako bi se povećao prinos RuO2 nanolistova za preko 50% i da bi se RuO2 slojevi podelili na ravnomerno malu bočnu veličinu.
3. Koristite proračune funkcionalne teorije gustoće kako biste potvrdili da je energija aktivacije eksfolijacije značajno smanjena.
4. Prikupite rezultirajuće RuO2 nanolistove, koji se mogu koristiti za različite aplikacije.

 
Jednostavnost ovog protokola za ultrazvučnu eksfolijaciju RuO2 nanolistova naglašava prednosti proizvodnje ultrazvučnih nanolistova. Sonikacija je visoko efikasna tehnika za proizvodnju visokokvalitetnih monoslojnih RuO2 nanolistova debljine približno 1 nm. Utvrđeno je i da je protokol skalabilan i reproducibilan, što ga čini pogodnim za veliku proizvodnju RuO2 nanolistova za različite primjene u elektronici, katalizi i skladištenju energije.

Sekvenca velike brzine (od a do f) okvira koji ilustruju sono-mehaničku eksfolijaciju grafitne pahuljice u vodi UP200S, ultrazvučni sistem od 200W sa 3-mm sonotrodom. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (pilinga) sa mjehurićima kavitacije koji prodiru u cijepanje.
(studije i slike: © Tyurnina et al. 2020)

Ultrazvučni efekti za RuO2 eksfolijaciju

Za proizvodnju visokokvalitetnih nanolistova rutenij-oksida i drugih ksenova potrebna je pouzdana ultrazvučna oprema visokih performansi. Amplituda, pritisak i temperatura bitni parametri, koji su ključni za ponovljivost i konzistentan proizvod. Hielscher Ultrasonics procesori su moćni i precizno kontrolisani sistemi, koji omogućavaju tačno podešavanje parametara procesa i kontinuirani ultrazvučni izlaz velike snage. Hielscher industrijski ultrazvučnici mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm mogu se lako kontinuirano pokretati u 24/7 radu. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima i u zahtevnim okruženjima.
Naši klijenti su zadovoljni izuzetnom robusnošću i pouzdanošću Hielscher Ultrasonics sistema. Instalacija u oblastima teške primene (npr. obrada nanomaterijala velikih razmera), zahtevna okruženja i rad 24/7 obezbeđuju efikasnu i ekonomičnu obradu. Intenziviranje ultrazvučnog procesa smanjuje vreme obrade i postiže bolje rezultate, odnosno veći kvalitet, veće prinose, inovativne proizvode.

Dizajn, proizvodnja i konsalting – Kvalitet proizveden u Nemačkoj

Hielscher ultrazvučni sistemi su poznati po svojim najvišim standardima kvaliteta i dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnika u industrijske objekte. Teškim uslovima i zahtevnim okruženjima lako upravljaju Hielscher ultrazvučnici.

Hielscher Ultrasonics je ISO sertifikovana kompanija i stavlja poseban naglasak na ultrazvučnike visokih performansi sa najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću upotrebe. Naravno, Hielscher ultrazvučnici su usklađeni sa CE i ispunjavaju zahteve UL, CSA i RoHs.

Tabela u nastavku daje naznaku približan kapacitet prerade naših ultrasonicators: