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

Ultralyd eksfoliering 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.
(undersøgelse og billeder: ©Kim et al., 2021)

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

Kim et al. (2021) viste i deres undersøgelse den betydelige forbedring i eksfoliering af rutheniumoxidmonolags nanoark. Forskeren skabte høje udbytter af tynde RuO2 metaloxidplader ved hjælp af ultralydbehandling. Den konventionelle interkalationsproces gennem ionbytningsreaktioner 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 rutheniumoxidnanoark intensiverede de eksfolieringsprocessen ved at anvende ultralydsenergi til opløsningen af RuO2-oxid. De fandt ud af, at efter kun 15 minutters ultralydbehandling steg mængden af ark med over 50%, samtidig faldt arkets laterale størrelse. Densitetsfunktionelle teoriberegninger viste, at aktiveringsenergien ved eksfoliering reduceres signifikant ved at opdele RuO2-lagene i en lille lateral størrelse. Denne størrelse reduktion sker, fordi sonikering hjalp med at bryde lagene af metaloxid lettere. Denne forskning understreger, at brug af ultralyd er en god og nem måde at fremstille rutheniumoxid monolag nanoark. Dette viser, at en ultralydunderstøttet ionbytningsproces tilbyder en let og effektiv tilgang til fremstilling af 2D metaloxidnanoark. Tilpasningen til ultarsonisk eksfoliering forklarer, hvorfor ultralyd eksfoliering og delaminering er meget udbredt som produktionsteknik til 2D nanomaterialer, også kendt som xener, herunder grafen og borophene.

Ultralyd eksfoliering fremmer den yderst effektive og accelererede produktion af rutheniumoxid 2D nanoark i stor skala
(undersøgelse og billeder: ©Kim et al., 2021).

Protokol for ultralydassisteret rutheniumoxideksfoliering

Følgende protokol er en trinvis instruktion til syntetisering af RuO2 nanoark ved hjælp af ultralydunderstøttet ionbytningsreaktionsproces som beskrevet af Kim et al. (2021).
 

1. Forbered en opløsning af RuO2 og en intercalant ved at opløse dem i opløsningsmiddel (2-propanol) og omrøre i op til 3 dage.
2. Påfør ultralydsenergi ved hjælp af en sonde-type ultralydator (fx sonde-type ultralydator UP1000hdT (1000W, 20kHz) med sonotrode BS4d22) til opløsningen i 15 minutter for at øge udbyttet af RuO2 nanoark med over 50% og opdele RuO2-lagene i en ensartet lille lateral størrelse.
3. Brug densitetsfunktionelle teoriberegninger 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 ultralyd eksfoliering af RuO2 nanoark understreger fordelene ved ultralyd nanosheet produktion. 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 nanoark til forskellige applikationer inden for elektronik, katalyse og energilagring.

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

Højtydende ultralydapparater til RuO2 eksfoliering

Til produktion af højkvalitets rutheniumoxid nanoplader og andre xener kræves pålideligt højtydende ultralydsudstyr. Amplitude, tryk og temperatur essentielle parametre, som er afgørende for reproducerbarhed og konsistent produkt. Hielscher Ultrasonics-processorer er kraftfulde og præcist kontrollerbare systemer, som giver mulighed for den nøjagtige indstilling af procesparametre og kontinuerlig ultralydsudgang med høj effekt. Hielscher industrielle ultralydapparater kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan let køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydsonotroder tilgængelige. Robustheden af Hielscher ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved kraftig og krævende miljøer.
Vores kunder er tilfredse med den fremragende robusthed og pålidelighed af Hielscher ultralydssystemer. Installation inden for områder med tung anvendelse (f.eks. nanomaterialeforarbejdning i stor skala), krævende miljøer og 24/7-drift sikrer effektiv og økonomisk behandling. Ultralyd proces intensivering reducerer behandlingstiden og opnår bedre resultater, dvs. højere kvalitet, højere udbytter, innovative produkter.

Design, fremstilling og rådgivning – Kvalitet fremstillet i Tyskland

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

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

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: