Nanovrstvy oxidu ruthenitého pomocí ultrazvukové exfoliace

Jednovrstvé nanovrstvy oxidu ruthenitého lze efektivně vyrábět pomocí ultrazvuku typu sondy. Hlavními výhodami ultrazvukové exfoliace nanovrstev jsou efektivita procesu, vysoké výtěžky, krátké ošetření a snadný, bezpečný provoz. Díky své vysoké účinnosti a vynikající kvalitě vyráběných nanolistů se ultrazvuku používá pro průmyslovou výrobu mnoha nanolistů včetně grafenu a borofenu.

Ultrazvuková exfoliace nanovrstev oxidu ruthenitého

Nanovrstvy z oxidu ruthenia (RuO2, známé také jako ruthenát) nabízejí jedinečné vlastnosti, jako je vysoká vodivost, nízký odpor, vysoká stabilita, vysoká pracovní funkce a dobrá náchylnost k suchému leptání. Díky tomu je oxid ruthenia dobrým materiálem pro elektrody v paměťových zařízeních a tranzistorech.

SEM snímky exfoliovaných nanolistů RuO2 pomocí a) 1 minuty a b) 7 minut ultrazvuku.
(studie a obrázky: ©Kim et al., 2021)

Případová studie: Vysoce účinná exfoliace RuO2 pomocí ultrazvuku typu sondy

Kim et al. (2021) ve své studii prokázali významné zlepšení exfoliace jednovrstvých nanovrstev oxidu ruthenia. Výzkumník vytvořil vysoké výtěžky tenkých desek oxidu kovu RuO2 pomocí ultrazvuku. Konvenční proces interkalace prostřednictvím iontoměničových reakcí je pomalý a produkuje pouze omezené množství dvourozměrných (2D) nanovrstev kvůli velikosti molekul a chemické energii potřebné pro reakci. Aby se proces urychlil a zvýšilo se množství produkovaných nanovrstev oxidu ruthenitého, zintenzivnili proces exfoliace aplikací ultrazvukové energie na roztok oxidu RuO2. Zjistili, že po pouhých 15 minutách ultrazvuku se množství listů zvýšilo o více než 50%, současně se snížila boční velikost listů. Výpočty teorie funkcionálu hustoty ukázaly, že aktivační energie exfoliace je významně snížena rozdělením vrstev RuO2 na malou boční velikost. K tomuto snížení velikosti dochází, protože sonikace pomohla snadněji rozbít vrstvy oxidu kovu. Tento výzkum zdůrazňuje, že použití ultrazvuku je dobrý a snadný způsob, jak vytvořit jednovrstvé nanovrstvy oxidu ruthenia. To ukazuje, že ultrazvukem podporovaný proces iontové výměny nabízí snadný a efektivní přístup k výrobě 2D nanovrstev z oxidů kovů. Potřeby ultarsonické exfoliace vysvětlují, proč je ultrazvuková exfoliace a delaminace široce používána jako výrobní technika pro 2D nanomateriály, známé také jako xeny, včetně grafenu a borofenu.

Ultrazvuková exfoliace podporuje vysoce efektivní a zrychlenou výrobu 2D nanovrstev oxidu ruthenitého ve velkém měřítku
(studie a obrázky: ©Kim et al., 2021).

Protokol pro ultrazvukem asistovanou exfoliaci oxidu ruthenitého

Následující protokol je podrobnou instrukcí pro syntézu nanovrstev RuO2 pomocí ultrazvukem podporovaného procesu reakce iontové výměny, jak popisuje Kim et al. (2021).
 

1. Připravte si roztok RuO2 a interkalant tak, že se rozpustí v rozpouštědle (2-propanol) a míchá se až 3 dny.
2. Aplikujte ultrazvukovou energii pomocí ultrazvuku typu sondy (např. Ultrazvukový přístroj typu sondy UP1000hdT (1000W, 20kHz) se sonotrodou BS4d22) na roztok po dobu 15 minut, aby se zvýšil výtěžek nanolistů RuO2 o více než 50% a rozdělily se vrstvy RuO2 na rovnoměrně malou boční velikost.
3. Použijte výpočty teorie funkcionálu hustoty k potvrzení toho, že aktivační energie exfoliace je výrazně snížena.
4. Sbírejte výsledné nanovrstvy RuO2, které lze použít pro různé aplikace.

 
Jednoduchost tohoto protokolu pro ultrazvukovou exfoliaci nanovrstev RuO2 podtrhuje výhody výroby ultrazvukových nanovrstev. Sonikace je vysoce účinná technika pro výrobu vysoce kvalitních jednovrstvých nanolistů RuO2 o tloušťce přibližně 1 nm. Bylo také zjištěno, že protokol je škálovatelný a reprodukovatelný, takže je vhodný pro velkosériovou výrobu nanovrstev RuO2 pro různé aplikace v elektronice, katalýze a skladování energie.

Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) ilustrující sonomechanickou exfoliaci grafitových vloček ve vodě pomocí UP200S, 200W ultrasonikátoru s 3mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení (exfoliace) s kavitačními bublinami pronikajícími do štěrbiny.
(studie a obrázky: © Tyurnina et al. 2020

Vysoce výkonné ultrasonicators pro exfoliaci RuO2

Pro výrobu vysoce kvalitních nanovrstev z oxidu ruthenitého a dalších xenů je zapotřebí spolehlivé vysoce výkonné ultrazvukové zařízení. Amplituda, tlak a teplota jsou zásadní parametry, které jsou rozhodující pro reprodukovatelnost a konzistentní produkt. Hielscher Ultrazvukové procesory jsou výkonné a přesně ovladatelné systémy, které umožňují přesné nastavení procesních parametrů a nepřetržitý ultrazvukový výstup s vysokým výkonem. Hielscher průmyslové ultrasonicators mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích.
Naši zákazníci jsou spokojeni s vynikající robustností a spolehlivostí systémů Hielscher Ultrasonics. Instalace v oblastech náročných aplikací (např. zpracování nanomateriálů ve velkém měřítku), náročných prostředích a provozu 24 hodin denně, 7 dní v týdnu zajišťují efektivní a ekonomické zpracování. Ultrazvuková intenzifikace procesu zkracuje dobu zpracování a dosahuje lepších výsledků, tj. vyšší kvality, vyšších výnosů, inovativních produktů.

Projekce, výroba a poradenství – Kvalita Made in Germany

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známí pro své nejvyšší standardy kvality a designu. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrazvukových zařízení do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonikators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators s nejmodernější technologií a uživatelskou přívětivostí. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou v souladu s CE a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: