Nanolistovi rutenijevog oksida putem ultrazvučne eksfolijacije
Monoslojni nanolistovi rutenijevog oksida mogu se efikasno proizvoditi ultrazvučnom obradom pomoću sonde. Glavne prednosti ultrazvučne eksfolijacije nanolistova su efikasnost procesa, visoki prinosi, kratka obrada te jednostavan i siguran rad. Zbog visoke efikasnosti i vrhunskog kvaliteta proizvedenih nanolistova ultrazvučna obrada koristi se za industrijsku proizvodnju brojnih nanolistova, uključujući grafen i borofen.
Ultrazvučna eksfolijacija nanolistova rutenijevog oksida
Nanolistovi rutenijevog oksida (RuO2, poznatog i kao rutenat) nude jedinstvena svojstva, kao što su visoka provodljivost, nizak specifični otpor, visoka stabilnost, visoka izlazna radna funkcija i dobra podložnost suhom jetkanju. Zbog toga je rutenijev oksid dobar materijal za elektrode u memorijskim uređajima i tranzistorima.
SEM snimci eksfoliranih nanolistova RuO2 nakon a) 1 minute i b) 7 minuta ultrazvučne obrade.
(studija i slike: ©Kim et al., 2021)
Industrijski sistem snažnog ultrazvuka za industrijsku inline eksfolijaciju nanolistova rutenijevog oksida.
Studija slučaja: visokoefikasna eksfolijacija RuO2 pomoću ultrazvučnog uređaja sa sondom
Kim et al. (2021) pokazali su u svojoj studiji značajno poboljšanje eksfolijacije monoslojnih nanolistova rutenijevog oksida. Istraživači su ultrazvučnom obradom postigli visoke prinose tankih listova metalnog oksida RuO2. Konvencionalni proces interkalacije putem reakcija ionske izmjene spor je i daje samo ograničene količine dvodimenzionalnih (2D) nanolistova zbog veličine molekula i hemijske energije potrebne za reakciju. Kako bi proces ubrzali i povećali količinu proizvedenih nanolistova rutenijevog oksida, intenzivirali su proces eksfolijacije primjenom ultrazvučne energije na otopinu RuO2 oksida. Utvrdili su da se nakon samo 15 minuta ultrazvučne obrade količina listova povećala za više od 50%, dok se istovremeno smanjila lateralna veličina listova. Proračuni teorije funkcionala gustoće pokazali su da se aktivacijska energija eksfolijacije značajno smanjuje cijepanjem slojeva RuO2 na male lateralne dimenzije. Ovo smanjenje veličine nastaje zato što je sonikacija pomogla da se slojevi metalnog oksida lakše razdvoje. Ovo istraživanje naglašava da je upotreba ultrazvuka dobar i jednostavan način za proizvodnju monoslojnih nanolistova rutenijevog oksida. To pokazuje da proces ionske izmjene potpomognut ultrazvukom nudi jednostavan i efikasan pristup izradi 2D nanolistova metalnih oksida. Prednosti ultrazvučne eksfolijacije objašnjavaju zašto se ultrazvučna eksfolijacija i delaminacija široko koriste kao proizvodna tehnika za 2D nanomaterijale, poznate i kao ksenovi (xenes), uključujući grafen i borofen.
Ultrazvučna eksfolijacija omogućava visokoefikasnu i ubrzanu proizvodnju 2D nanolistova rutenijevog oksida u velikim razmjerima
(studija i slike: ©Kim et al., 2021).
Ultrazvučna eksfolijacija nanolistova RuO2 može se provoditi i u laboratorijskim razmjerima. Slika prikazuje ultrazvučni uređaj sa sondom UP400St tokom eksfolijacije nanolistova u čaši.
Protokol za ultrazvučno potpomognutu eksfolijaciju rutenijevog oksida
Sljedeći protokol je uputa korak po korak za sintezu nanolistova RuO2 postupkom ionske izmjene potpomognute ultrazvukom, kako su opisali Kim et al. (2021).
- Pripremite otopinu RuO2 i interkalanta otapanjem u otapalu (2-propanol) i miješanjem do 3 dana.
- Primijenite ultrazvučnu energiju pomoću ultrazvučnog uređaja sa sondom (npr. UP1000hdT (1000W, 20kHz) sa sonotrodom BS4d22) na otopinu tokom 15 minuta kako biste povećali prinos nanolistova RuO2 za više od 50% i razdvojili slojeve RuO2 na ujednačeno male lateralne dimenzije.
- Koristite proračune teorije funkcionala gustoće kako biste potvrdili da je aktivacijska energija eksfolijacije značajno smanjena.
- Prikupite dobijene nanolistove RuO2, koji se mogu koristiti u različitim primjenama.
Jednostavnost ovog protokola za ultrazvučnu eksfolijaciju nanolistova RuO2 naglašava prednosti ultrazvučne proizvodnje nanolistova. Sonikacija je vrlo efikasna tehnika za proizvodnju visokokvalitetnih monoslojnih nanolistova RuO2 debljine približno 1 nm. Utvrđeno je i da je protokol skalabilan i ponovljiv, što ga čini pogodnim za proizvodnju nanolistova RuO2 u velikim razmjerima za različite primjene u elektronici, katalizi i skladištenju energije.
Saznajte više o sonohemijskoj sintezi nanopahuljica SnOx!
Brza sekvenca snimaka (od a do f) koja prikazuje sonomehaničku eksfolijaciju grafitne pahuljice u vodi pomoću UP200S, ultrazvučnog uređaja snage 200W sa sonotrodom od 3 mm. Strelice pokazuju mjesto cijepanja (eksfolijacije), pri čemu kavitacijski mjehurići prodiru u procjep.
(studija i slike: © Tyurnina et al. 2020
Mehanizam ultrazvučne eksfolijacije 2D nanolistova.
(studija i grafika: Tyurnina et al., 2020)
Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za eksfolijaciju RuO2
Za proizvodnju visokokvalitetnih nanolistova rutenijevog oksida i drugih ksenova potrebna je pouzdana visokoučinkovita ultrazvučna oprema. Amplituda, pritisak i temperatura su ključni parametri, koji su presudni za ponovljivost i dosljedan proizvod. Procesori Hielscher Ultrasonics snažni su i precizno upravljivi sistemi, koji omogućavaju tačno podešavanje procesnih parametara i kontinuirani izlaz ultrazvuka velike snage. Hielscher industrijski ultrazvučni uređaji mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se jednostavno kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućava rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Naši kupci su zadovoljni izuzetnom robusnošću i pouzdanošću sistema Hielscher Ultrasonics. Ugradnja u područjima zahtjevnih primjena (npr. obrada nanomaterijala velikih razmjera), zahtjevnim okruženjima i radu 24/7 osigurava efikasnu i ekonomičnu obradu. Intenzifikacija ultrazvučnog procesa skraćuje vrijeme obrade i postiže bolje rezultate, tj. viši kvalitet, veće prinose i inovativne proizvode.
Dizajn, proizvodnja i savjetovanje – kvalitet proizveden u Njemačkoj
Hielscher ultrazvučni uređaji poznati su po svom najvišem kvalitetu i standardima dizajna. Robusnost i jednostavan rad omogućavaju nesmetano uklapanje naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Hielscher ultrazvučni uređaji lako se nose s teškim uvjetima i zahtjevnim okruženjima.
Hielscher Ultrasonics je ISO certificirana kompanija i poseban naglasak stavlja na visokoučinkovite ultrazvučne uređaje s najsavremenijom tehnologijom i jednostavnošću korištenja. Naravno, Hielscher ultrazvučni uređaji su u skladu s CE oznakom i ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Tabela ispod daje vam okvirnu naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Zapremina šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0,5 do 1,5mL | n.a. | VialTweeter | 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilot i industrijskim razmjerima.
Literatura / reference
- Kim, Se Yun; Kim, Sang-il; Kim, Mun Kyoung; Kim, Jinhong; Mizusaki, Soichiro; Ko, Dong-Su; Jung, Changhoon; Yun, Dong-Jin; Roh, Jong Wook; Kim, Hyun-Sik; Sohn, Hiesang; Lim, Jong-Hyeong; Oh, Jong-Min; Jeong, Hyung Mo; Shin, Weon Ho, (2021): Ultrasonic Assisted Exfoliation for Efficient Production of RuO2 Monolayer Nanosheets. Inorganic Chemistry Frontiers 2021.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore, od laboratorijske do industrijske veličine.