Nanoark af rutheniumoxid via ultralydseksfoliering

Enkeltlagsnanoark af rutheniumoxid kan fremstilles effektivt ved hjælp af sonikering med en sonde. De væsentligste fordele ved ultralydseksfoliering af nanoark er proceseffektivitet, høje udbytter, kort behandlingstid samt enkel og sikker betjening. På grund af den høje effektivitet og den overlegne kvalitet af de fremstillede nanoark anvendes sonikering til industriel produktion af en lang række nanoark, herunder grafen og borofen.

Ultralydseksfoliering af nanoark af rutheniumoxid

Nanoark af rutheniumoxid (RuO2, også kendt som ruthenat) har unikke egenskaber såsom høj elektrisk ledningsevne, lav resistivitet, høj stabilitet, højt udtrædelsesarbejde og god modtagelighed for tørætsning. Det gør rutheniumoxid til et godt materiale til elektroder i hukommelsesenheder og transistorer.

SEM-billeder af eksfolierede RuO2-nanoark efter a) 1 minuts og b) 7 minutters sonikering.
(undersøgelse og billeder: ©Kim et al., 2021)

Casestudie: Meget effektiv eksfoliering af RuO2 med et ultralydsapparat med sonde

Kim et al. (2021) viste i deres undersøgelse en betydelig forbedring af eksfolieringen af enkeltlagsnanoark af rutheniumoxid. Forskeren opnåede høje udbytter af tynde RuO2-metaloxidark ved hjælp af sonikering. Den konventionelle interkalationsproces gennem ionbytningsreaktioner er langsom og producerer kun begrænsede mængder todimensionelle (2D) nanoark på grund af molekylernes størrelse og den kemiske energi, der kræves til reaktionen. For at gøre processen hurtigere og øge mængden af fremstillede nanoark af rutheniumoxid intensiverede de eksfolieringsprocessen ved at tilføre ultralydsenergi til opløsningen af RuO2-oxid. De fandt, at mængden af ark steg med over 50% efter blot 15 minutters sonikering, samtidig med at arkenes laterale størrelse blev reduceret. Beregninger baseret på tæthedsfunktionalteori viste, at aktiveringsenergien for eksfoliering reduceres betydeligt ved at opdele RuO2-lagene i dele med en lille lateral størrelse. Denne størrelsesreduktion sker, fordi sonikeringen gjorde det lettere at bryde metaloxidlagene fra hinanden. Denne forskning understreger, at brugen af ultralyd er en god og nem måde at fremstille enkeltlagsnanoark af rutheniumoxid på. Det viser, at en ultralydsassisteret ionbytningsproces er en enkel og effektiv metode til fremstilling af 2D-metaloxidnanoark. Fordelene ved ultralydseksfoliering forklarer, hvorfor ultralydseksfoliering og delaminering anvendes i vid udstrækning som produktionsteknik til 2D-nanomaterialer, også kendt som xener, herunder grafen og borofen.

Ultralydseksfoliering fremmer meget effektiv og accelereret produktion af 2D-nanoark af rutheniumoxid i stor skala
(undersøgelse og billeder: ©Kim et al., 2021).

Protokol for ultralydsassisteret eksfoliering af rutheniumoxid

Følgende protokol er en trinvis vejledning i syntese af RuO2-nanoark ved hjælp af en ultralydsassisteret ionbytningsreaktionsproces som beskrevet af Kim et al. (2021).
 

1. Fremstil en opløsning af RuO2 og et interkalationsmiddel ved at opløse dem i et opløsningsmiddel (2-propanol) og omrøre i op til 3 dage.
2. Tilfør ultralydsenergi til opløsningen i 15 minutter med et ultralydsapparat med sonde (f.eks. ultralydsapparatet UP1000hdT (1000W, 20kHz) med sonotrode BS4d22) for at øge udbyttet af RuO2-nanoark med over 50% og opdele RuO2-lagene i dele med en ensartet lille lateral størrelse.
3. Brug beregninger baseret på tæthedsfunktionalteori til at bekræfte, at aktiveringsenergien for eksfoliering reduceres betydeligt.
4. Opsaml de resulterende RuO2-nanoark, som kan bruges til forskellige anvendelser.

 
Enkelheden i denne protokol for ultralydseksfoliering af RuO2-nanoark understreger fordelene ved ultralydsbaseret produktion af nanoark. Sonikering er en meget effektiv teknik til fremstilling af enkeltlagsnanoark af RuO2 af høj kvalitet med en tykkelse på cirka 1 nm. Protokollen viste sig også at være skalerbar og reproducerbar, hvilket gør den egnet til produktion af RuO2-nanoark i stor skala til forskellige anvendelser inden for elektronik, katalyse og energilagring.
 
Læs mere om sonokemisk syntese af SnOx-nanoflager!
 

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

Højtydende ultralydsapparater til eksfoliering af RuO2

Produktion af nanoark af rutheniumoxid og andre xener af høj kvalitet kræver pålideligt, højtydende ultralydsudstyr. Amplitude, tryk og temperatur er væsentlige parametre, som er afgørende for reproducerbarhed og et ensartet produkt. Ultralydsprocessorer fra Hielscher Ultrasonics er kraftfulde systemer, der kan styres præcist og muliggør nøjagtig indstilling af procesparametre samt kontinuerlig ultralydsydelse med høj effekt. Industrielle ultralydsapparater fra Hielscher kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan nemt opretholdes kontinuerligt ved drift 24/7. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder. Robustheden af ultralydsudstyr fra Hielscher muliggør drift 24/7 ved hård belastning og i krævende miljøer.
Vores kunder er tilfredse med den enestående robusthed og pålidelighed af systemerne fra Hielscher Ultrasonics. Installation til anvendelser med hård belastning (f.eks. behandling af nanomaterialer i stor skala), krævende miljøer og drift 24/7 sikrer effektiv og økonomisk behandling. Procesintensivering med ultralyd reducerer behandlingstiden og giver bedre resultater, dvs. højere kvalitet, højere udbytter og innovative produkter.

Design, fremstilling og rådgivning – kvalitet fremstillet i Tyskland

Hielschers ultralydsapparater er kendt for deres højeste kvalitets- og designstandarder. Robusthed og nem betjening muliggør problemfri integration af vores ultralydsapparater i industrielle anlæg. Hielschers ultralydsapparater håndterer uden problemer barske forhold og krævende miljøer.

Hielscher Ultrasonics er en ISO-certificeret virksomhed og lægger særlig vægt på højtydende ultralydsapparater med den nyeste teknologi og brugervenlighed. Hielschers ultralydsapparater er naturligvis CE-kompatible og opfylder kravene fra UL, CSA og RoHs.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: