Jednovrstvé nanolisty oxidu ruthennatého lze efektivně vyrábět pomocí ultrazvuku typu sondy. Hlavními výhodami ultrazvukové exfoliace nanolistů jsou účinnost procesu, vysoké výnosy, krátké ošetření a snadný, bezpečný provoz. Vzhledem k jeho vysoké účinnosti a vynikající kvalitě vyráběných nanolistů, ultrazvuku se používá pro průmyslovou výrobu mnoha nanolistů včetně grafenu a borofenu.

Ultrazvuková exfoliace nanolistů oxidu ruthenia

Nanovrstvy oxidu ruthennatého (RuO2, také známé 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 ruthenitý dobrým materiálem pro elektrody v paměťových zařízeních a tranzistorech.

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

Případová studie: Vysoce účinná exfoliace RuO2 pomocí sondy typu ultrasonicator

Kim et al. (2021) ve své studii ukázali významné zlepšení exfoliace jednovrstvých nanolistů oxidu ruthenia. Výzkumník vytvořil vysoké výnosy tenkých RuO2 kovových oxidových listů pomocí ultrazvuku. Konvenční interkalační proces prostřednictvím iontoměničových reakcí je pomalý a produkuje pouze omezené množství dvourozměrných (2D) nanolistů kvůli velikosti molekul a chemické energii potřebné pro reakci. Aby byl proces rychlejší a zvýšilo se množství vyrobených nanolistů oxidu ruthennato, 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 funkční teorie 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 vyrobit jednovrstvé nanolisty oxidu ruthenia. To ukazuje, že ultrazvukem podporovaný proces iontové výměny nabízí snadný a efektivní přístup k výrobě 2D nanofólií oxidů kovů. Výhody 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 účinnou a zrychlenou výrobu 2D nanolistů oxidu ruthennatého ve velkém měřítku
(studie a obrázky: ©Kim et al., 2021).

Protokol pro ultrazvukem asistovanou exfoliaci oxidu ruthenia

Následující protokol je postupným pokynem pro syntézu nanolistů RuO2 pomocí ultrazvukem podporovaného reakčního procesu iontové výměny, jak popisuje Kim et al. (2021).
 

1. Připravte roztok RuO2 a interkalantu rozpuštěním v rozpouštědle (2-propanol) a mícháním po dobu až 3 dnů.
2. Aplikujte ultrazvukovou energii pomocí ultrazvuku typu sondy (např. sonda typu ultrasonicator UP1000hdT (1000W, 20kHz) s sonotrodou BS4d22) na roztok po dobu 15 minut, aby se zvýšil výtěžek nanolistů RuO2 o více než 50% a aby se vrstvy RuO2 rozdělily na rovnoměrně malou boční velikost.
3. Použijte výpočty funkční teorie hustoty k potvrzení, že aktivační energie exfoliace je výrazně snížena.
4. Sbírejte výsledné nanolisty RuO2, které lze použít pro různé aplikace.

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

Vysokorychlostní sekvence (od a do f) snímků ilustrujících sonomechanickou exfoliaci grafitové vločky ve vodě pomocí UP200S, 200W ultrasonicator s 3-mm sonotrodou. Šipky ukazují místo rozdělení (exfoliace) s kavitačními bublinami pronikajícími do rozdělení.
(studie a obrázky: © Tyurnina et al. 2020

Vysoce výkonné ultrasonicators pro RuO2 exfoliace

Pro výrobu vysoce kvalitních nanolistů oxidu ruthennatého a dalších xenů je vyžadováno spolehlivé vysoce výkonné ultrazvukové zařízení. Amplituda, tlak a teplota jsou základními parametry, které jsou rozhodující pro reprodukovatelnost a konzistentní produkt. Hielscher Ultrazvuk procesory jsou výkonné a přesně ovladatelné systémy, které umožňují přesné nastavení parametrů procesu a kontinuální vysoce výkonný ultrazvukový výstup. Hielscher průmyslové ultrasonicators mohou dodat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až do 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 24/7 při vysoké službě a v náročných prostředích.
Naši zákazníci jsou spokojeni s vynikající robustností a spolehlivostí Hielscher ultrazvukových systémů. Instalace v oblastech náročných aplikací (např. zpracování nanomateriálů ve velkém měřítku), náročných prostředích a provozu 24/7 zajišťují efektivní a hospodárné zpracování. Ultrazvuková intenzifikace procesu zkracuje dobu zpracování a dosahuje lepších výsledků, tj. vyšší kvality, vyšších výnosů, inovativních produktů.

Návrh, výroba a poradenství – Kvalita Vyrobeno v Německu

Hielscher ultrasonicators jsou dobře známé pro jejich nejvyšší kvalitu a designové standardy. Robustnost a snadná obsluha umožňují hladkou integraci našich ultrasonicators do průmyslových zařízení. Drsné podmínky a náročná prostředí jsou snadno zvládnutelné Hielscher ultrasonicators.

Hielscher Ultrasonics je společnost certifikovaná ISO a klade zvláštní důraz na vysoce výkonné ultrasonicators představovat state-of-the-art technologie a uživatelská přívětivost. Samozřejmě, Hielscher ultrasonicators jsou CE kompatibilní a splňují požadavky UL, CSA a RoHs.

Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators: