Rutheniumoxid nanoark via ultralydseksfoliering

Rutheniumoxid monolag nanoark kan effektivt produceres ved hjælp af sonde-type ultralydbehandling. Store fordele ved ultralyd nanoarkeksfoliering er proceseffektivitet, høje udbytter, kort behandling og let, sikker drift. På grund af sin høje effektivitet og overlegne kvalitet af producerede nanoark, anvendes ultralydbehandling til industriel produktion af adskillige nanoark, herunder grafen og borophen.

Ultralydseksfoliering af rutheniumoxid nanoark

Rutheniumoxid (RuO2, også kendt som ruthenat) nanoark tilbyder unikke egenskaber såsom høj ledningsevne, lav resistivitet, høj stabilitet, høj arbejdsfunktion og god modtagelighed for tør ætsning. Dette gør rutheniumoxid til et godt materiale til elektroder i hukommelsesenheder og transistorer.

SEM-billeder af eksfolierede RuO2 nanoark ved hjælp af a) 1 minut og b) 7 minutters ultralydbehandling.
(studie og billeder: ©Kim et al., 2021)

Casestudie: Meget effektiv RuO2-eksfoliering ved hjælp af en sonde-type ultralydsapparat

Kim et al. (2021) viste i deres undersøgelse den signifikante forbedring i eksfoliering af rutheniumoxid monolag nanoark. Forskeren skabte høje udbytter af tynde RuO2-metaloxidplader ved hjælp af ultralydbehandling. Den konventionelle interkaleringsproces gennem ionbytterreaktioner er langsom og producerer kun begrænsede mængder todimensionelle (2D) nanoark på grund af størrelsen af molekyler og kemisk energi, der kræves til reaktionen. For at gøre processen hurtigere og øge mængden af producerede rutheniumoxid-nano-ark, intensiverede de eksfolieringsprocessen ved at anvende ultralydsenergi til opløsningen af RuO2-oxid. De fandt ud af, at efter blot 15 minutters ultralydbehandling steg mængden af ark med over 50%, samtidig faldt arkets laterale størrelse. Beregninger af tæthedsfunktionalteori viste, at aktiveringsenergien ved eksfoliering reduceres signifikant ved at opdele RuO2-lagene i en lille lateral størrelse. Denne størrelsesreduktion sker, fordi sonikeringen hjalp med at bryde lagene af metaloxid lettere. Denne forskning understreger, at brug af ultralyd er en god og nem måde at lave rutheniumoxid monolag nanoark på. Dette viser, at en ultralydsunderstøttet ionbytningsproces tilbyder en nem og effektiv tilgang til fremstilling af 2D metaloxid nanoark. Fordelene ved ultarsonic eksfoliering forklarer, hvorfor ultralydseksfoliering og delaminering er meget udbredt som produktionsteknik til 2D-nanomaterialer, også kendt som xener, herunder grafen og borophen.

Ultralydseksfoliering fremmer den meget effektive og accelererede produktion af rutheniumoxid 2D nanoark i stor skala
(studie og billeder: ©Kim et al., 2021).

Protokol for ultralydsassisteret rutheniumoxideksfoliering

Følgende protokol er en trin-for-trin instruktion til syntetisering af RuO2 nanoark ved hjælp af ultralydsunderstøttet ionbyttereaktionsproces som beskrevet af Kim et al. (2021).
 

1. Forbered en opløsning af RuO2 og et interkalant ved at opløse dem i opløsningsmiddel (2-propanol) og omrøre i op til 3 dage.
2. Påfør ultralydsenergi ved hjælp af en sonde-type ultralydsapparat (f.eks. Sonde-type ultralydsapparat UP1000hdT (1000W, 20kHz) med sonotrode BS4d22) til opløsningen i 15 minutter for at øge udbyttet af RuO2-nanoark med over 50% og for at opdele RuO2-lagene i en ensartet lille lateral størrelse.
3. Brug densitetsfunktionalteoriberegninger til at bekræfte, at aktiveringsenergien ved eksfoliering reduceres betydeligt.
4. Saml de resulterende RuO2 nanoark, som kan bruges til forskellige applikationer.

 
Enkelheden i denne protokol til ultralydseksfoliering af RuO2 nanoark understreger fordelene ved ultralyd nanoarkproduktion. Sonikering er en yderst effektiv teknik til fremstilling af højkvalitets monolag RuO2 nanoark med en tykkelse på ca. 1 nm. Protokollen viste sig også at være skalerbar og reproducerbar, hvilket gør den velegnet til storskala produktion af RuO2 nanosheets til forskellige applikationer inden for elektronik, katalyse og energilagring.

En højhastighedssekvens (fra a til f) af billeder, der illustrerer sono-mekanisk eksfoliering af en grafitflage i vand ved hjælp af UP200S, en 200W ultralydsapparat med 3 mm sonotrode. Pile viser stedet for opdeling (eksfoliering) med kavitationsbobler, der trænger ind i splittelsen.
(undersøgelse og billeder: © Tyurnina et al. 2020

Højtydende ultralydapparater til RuO2 eksfoliering

Til produktion af højkvalitets rutheniumoxid nano-plader og andre xener kræves pålideligt højtydende ultralydsudstyr. Amplitude, tryk og temperatur væsentlige parametre, som er afgørende for reproducerbarhed og ensartet produkt. Hielscher Ultrasonics-processorer er kraftfulde og præcist kontrollerbare systemer, som giver mulighed for nøjagtig indstilling af procesparametre og kontinuerlig ultralydsudgang med høj effekt. Hielscher industrielle ultralydapparater kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige. Robustheden af Hielscher ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved tunge og i krævende miljøer.
Vores kunder er tilfredse med den enestående robusthed og pålidelighed af Hielscher Ultrasonics-systemer. Installationen inden for områder med tunge anvendelser (f.eks. storskala nanomaterialebehandling), krævende miljøer og 24/7-drift sikrer effektiv og økonomisk behandling. Ultralydsprocesintensivering reducerer behandlingstiden og opnår bedre resultater, dvs. højere kvalitet, højere udbytter, innovative produkter.

Design, produktion og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielscher ultralydapparater er kendt for deres højeste kvalitet og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør en jævn integration af vores ultralydapparater i industrielle faciliteter. Hårde forhold og krævende miljøer håndteres let af Hielscher ultralydsapparater.

Hielscher Ultrasonics er et ISO-certificeret firma og lægger særlig vægt på højtydende ultralydapparater med avanceret teknologi og brugervenlighed. Selvfølgelig er Hielscher ultralydapparater CE-kompatible og opfylder kravene i UL, CSA og RoHs.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: