Nanoplátky oxidu ruthenia pomocí ultrazvukové exfoliace

Jednovrstvé nanoplátky oxidu ruthenia lze efektivně vyrábět pomocí sonikace sondového typu. Hlavními výhodami ultrazvukové exfoliace nanoplátků jsou efektivita procesu, vysoké výtěžky, krátká doba zpracování a snadný, bezpečný provoz. Díky vysoké účinnosti a vynikající kvalitě vyráběných nanoplátků se sonikace používá k průmyslové výrobě mnoha druhů nanoplátků včetně grafenu a borofenu.

Ultrazvuková exfoliace nanoplátků oxidu ruthenia

Nanoplátky oxidu ruthenia (RuO2, známého také jako ruthenát) nabízejí jedinečné vlastnosti, jako je vysoká vodivost, nízký měrný odpor, vysoká stabilita, vysoká výstupní práce a dobrá náchylnost k suchému leptání. Díky tomu je oxid ruthenia dobrým materiálem pro elektrody v paměťových zařízeních a tranzistorech.

SEM snímky exfoliovaných nanoplátků RuO2 po a) 1 minutě a b) 7 minutách sonikace.
(studie a snímky: ©Kim et al., 2021)

Případová studie: Vysoce účinná exfoliace RuO2 pomocí sonikátoru sondového typu

Kim et al. (2021) ve své studii prokázali výrazné zlepšení exfoliace jednovrstvých nanoplátků oxidu ruthenia. Výzkumníci pomocí sonikace dosáhli vysokých výtěžků tenkých plátků oxidu kovu RuO2. Konvenční interkalační proces prostřednictvím iontovýměnných reakcí je pomalý a vzhledem k velikosti molekul a chemické energii potřebné pro reakci poskytuje jen omezená množství dvourozměrných (2D) nanoplátků. Aby proces urychlili a zvýšili množství vyrobených nanoplátků oxidu ruthenia, intenzifikovali exfoliační proces aplikací ultrazvukové energie na roztok oxidu RuO2. Zjistili, že již po 15 minutách sonikace se množství plátků zvýšilo o více než 50 % a současně se zmenšila laterální velikost plátků. Výpočty založené na teorii funkcionálu hustoty prokázaly, že aktivační energie exfoliace se rozdělením vrstev RuO2 na malou laterální velikost výrazně snižuje. K tomuto zmenšení velikosti dochází proto, že sonikace pomohla snáze rozrušit vrstvy oxidu kovu. Tento výzkum zdůrazňuje, že použití ultrazvuku je dobrým a snadným způsobem výroby jednovrstvých nanoplátků oxidu ruthenia. To ukazuje, že ultrazvukem podporovaný iontovýměnný proces nabízí snadný a efektivní přístup k výrobě 2D nanoplátků oxidů kovů. Výhody ultrazvukové exfoliace vysvětlují, proč jsou ultrazvuková exfoliace a delaminace široce využívány jako výrobní technika pro 2D nanomateriály, známé také jako xeny, včetně grafenu a borofenu.

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

Protokol pro ultrazvukem asistovanou exfoliaci oxidu ruthenia

Následující protokol představuje podrobný postup syntézy nanoplátků RuO2 pomocí ultrazvukem podporovaného iontovýměnného reakčního procesu, jak jej popsali Kim et al. (2021).

1. Připravte roztok RuO2 a interkalantu jejich rozpuštěním v rozpouštědle (2-propanol) a mícháním po dobu až 3 dnů.
2. Aplikujte na roztok ultrazvukovou energii pomocí sonikátoru sondového typu (např. sonikátoru sondového typu UP1000hdT (1000W, 20kHz) se sonotrodou BS4d22) po dobu 15 minut, abyste zvýšili výtěžek nanoplátků RuO2 o více než 50 % a rozdělili vrstvy RuO2 na rovnoměrně malou laterální velikost.
3. Pomocí výpočtů založených na teorii funkcionálu hustoty potvrďte, že aktivační energie exfoliace je výrazně snížena.
4. Shromážděte vzniklé nanoplátky RuO2, které lze využít pro různé aplikace.

Jednoduchost tohoto protokolu pro ultrazvukovou exfoliaci nanoplátků RuO2 podtrhuje výhody ultrazvukové výroby nanoplátků. Sonikace je vysoce účinná technika výroby vysoce kvalitních jednovrstvých nanoplátků RuO2 o tloušťce přibližně 1 nm. Protokol se rovněž ukázal jako škálovatelný a reprodukovatelný, a je tedy vhodný pro velkoobjemovou výrobu nanoplátků RuO2 pro různé aplikace v elektronice, katalýze a skladování energie.

Přečtěte si více o sonochemické syntéze nanovloček SnOx!
 

Vysokorychlostní sekvence snímků (od a do f) zachycující sonomechanickou exfoliaci grafitové vločky ve vodě pomocí UP200S, 200W sonikátoru s 3mm sonotrodou. Šipky ukazují místo štěpení (exfoliace), do něhož pronikají kavitační bubliny.
(studie a snímky: © Tyurnina et al. 2020

Vysoce výkonné sonikátory pro exfoliaci RuO2

Pro výrobu vysoce kvalitních nanoplátků oxidu ruthenia 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. Procesory Hielscher Ultrasonics jsou výkonné a přesně řiditelné systémy, které umožňují přesné nastavení procesních parametrů a nepřetržitý vysoce výkonný ultrazvukový výstup. Průmyslové sonikátory Hielscher dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno provozovat nepřetržitě v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody. Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysoké zátěži a v náročných prostředích.
Naši zákazníci jsou spokojeni s vynikající robustností a spolehlivostí systémů Hielscher Ultrasonics. Instalace v oblastech aplikací s vysokou zátěží (např. velkoobjemové zpracování nanomateriálů), v náročných prostředích a při provozu 24/7 zajišťuje efektivní a ekonomické zpracování. Ultrazvuková intenzifikace procesů zkracuje dobu zpracování a dosahuje lepších výsledků, tj. vyšší kvality, vyšších výtěžků, inovativních produktů.

Návrh, výroba a poradenství – kvalita Made in Germany

Sonikátory Hielscher jsou známé svou nejvyšší kvalitou a konstrukčními standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich sonikátorů do průmyslových zařízení. Sonikátory Hielscher snadno zvládají drsné podmínky a náročná prostředí.

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

Následující tabulka vám poskytne představu o přibližné zpracovatelské kapacitě našich sonikátorů: