Nanoláminas de óxido de rutenio mediante exfoliación ultrasónica

Las nanoláminas monocapa de óxido de rutenio pueden producirse de forma eficiente mediante ultrasonicación con sonda. Las principales ventajas de la exfoliación ultrasónica de nanoláminas son la eficiencia del proceso, los elevados rendimientos, los tiempos de tratamiento cortos y un funcionamiento sencillo y seguro. Gracias a su elevada eficiencia y a la calidad superior de las nanoláminas producidas, la ultrasonicación se utiliza para la producción industrial de numerosos tipos de nanoláminas, incluidas las de grafeno y borofeno.

Exfoliación ultrasónica de nanoláminas de óxido de rutenio

Las nanoláminas de óxido de rutenio (RuO2, también conocido como rutenato) ofrecen propiedades únicas, como una elevada conductividad, baja resistividad, gran estabilidad, una elevada función de trabajo y buena susceptibilidad al grabado en seco. Estas propiedades hacen del óxido de rutenio un buen material para electrodos en dispositivos de memoria y transistores.

Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) de nanoláminas de RuO2 exfoliadas mediante a) 1 minuto y b) 7 minutos de ultrasonicación.
(estudio e imágenes: ©Kim et al., 2021)

Estudio de caso: exfoliación de RuO2 de alta eficiencia mediante un ultrasonicador de sonda

Kim et al. (2021) demostraron en su estudio una mejora significativa en la exfoliación de nanoláminas monocapa de óxido de rutenio. Los investigadores obtuvieron elevados rendimientos de láminas delgadas del óxido metálico RuO2 mediante ultrasonicación. El proceso convencional de intercalación mediante reacciones de intercambio iónico es lento y produce únicamente cantidades limitadas de nanoláminas bidimensionales (2D), debido al tamaño de las moléculas y a la energía química necesaria para la reacción. Para acelerar el proceso y aumentar la cantidad de nanoláminas de óxido de rutenio producidas, intensificaron el proceso de exfoliación aplicando energía ultrasónica a la solución del óxido RuO2. Observaron que, tras solo 15 minutos de ultrasonicación, la cantidad de láminas aumentó en más del 50% y, al mismo tiempo, disminuyó su tamaño lateral. Los cálculos de la teoría del funcional de la densidad demostraron que la energía de activación de la exfoliación se reduce significativamente al fragmentar las capas de RuO2 en porciones de pequeño tamaño lateral. Esta reducción de tamaño se produce porque la sonicación ayuda a separar las capas de óxido metálico con mayor facilidad. Esta investigación destaca que el uso de ultrasonidos es una forma eficaz y sencilla de producir nanoláminas monocapa de óxido de rutenio. Esto demuestra que un proceso de intercambio iónico asistido por ultrasonidos ofrece un método sencillo y eficiente para fabricar nanoláminas 2D de óxidos metálicos. Las ventajas de la exfoliación ultrasónica explican por qué la exfoliación y la delaminación ultrasónicas se utilizan ampliamente como técnicas de producción de nanomateriales 2D, también conocidos como xenos, incluidos el grafeno y el borofeno.

La exfoliación ultrasónica favorece la producción altamente eficiente y acelerada de nanoláminas 2D de óxido de rutenio a gran escala
(estudio e imágenes: ©Kim et al., 2021).

Protocolo para la exfoliación de óxido de rutenio asistida por ultrasonidos

El siguiente protocolo ofrece instrucciones paso a paso para sintetizar nanoláminas de RuO2 mediante un proceso de reacción de intercambio iónico asistido por ultrasonidos, tal como describen Kim et al. (2021).
 

1. Prepare una solución de RuO2 y un agente intercalante disolviéndolos en un disolvente (2-propanol) y agitando durante un máximo de 3 días.
2. Aplique energía ultrasónica a la solución mediante un ultrasonicador de sonda (p. ej., el ultrasonicador de sonda UP1000hdT (1000 W, 20 kHz) con sonotrodo BS4d22) durante 15 minutos para aumentar el rendimiento de nanoláminas de RuO2 en más del 50% y fragmentar las capas de RuO2 en porciones de tamaño lateral uniformemente pequeño.
3. Utilice cálculos de la teoría del funcional de la densidad para confirmar que la energía de activación de la exfoliación se reduce significativamente.
4. Recoja las nanoláminas de RuO2 resultantes, que pueden utilizarse en diversas aplicaciones.

 
La sencillez de este protocolo de exfoliación ultrasónica de nanoláminas de RuO2 pone de relieve las ventajas de la producción ultrasónica de nanoláminas. La sonicación es una técnica muy eficiente para producir nanoláminas monocapa de RuO2 de alta calidad con un espesor aproximado de 1 nm. También se constató que el protocolo es escalable y reproducible, lo que lo hace adecuado para la producción a gran escala de nanoláminas de RuO2 para diversas aplicaciones en electrónica, catálisis y almacenamiento de energía.
 
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Una secuencia de fotogramas de alta velocidad (de a a f) que ilustra la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua utilizando el UP200S, un ultrasonicador de 200 W con un sonotrodo de 3-mm. Las flechas indican el punto de separación (exfoliación), con burbujas de cavitación que penetran en la abertura.
(estudio e imágenes: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicadores de alto rendimiento para la exfoliación de RuO2

Para producir nanoláminas de óxido de rutenio y otros xenos de alta calidad, se requieren equipos ultrasónicos fiables y de alto rendimiento. La amplitud, la presión y la temperatura son parámetros esenciales para la reproducibilidad y la obtención de un producto de calidad constante. Los procesadores de Hielscher Ultrasonics son sistemas potentes y controlables con precisión que permiten ajustar con exactitud los parámetros del proceso y suministrar de forma continua ultrasonidos de alta potencia. Los ultrasonicadores industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Es posible mantener fácilmente amplitudes de hasta 200 µm de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos ultrasónicos de Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes.
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Diseño, fabricación y asesoramiento – Calidad fabricada en Alemania

Los ultrasonicadores de Hielscher son conocidos por sus máximos estándares de calidad y diseño. Su robustez y facilidad de uso permiten integrar nuestros ultrasonicadores sin dificultades en instalaciones industriales. Los ultrasonicadores de Hielscher soportan fácilmente condiciones adversas y entornos exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa certificada según las normas ISO y presta especial atención a los ultrasonicadores de alto rendimiento con tecnología de última generación y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonicadores de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

La siguiente tabla ofrece una orientación sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros ultrasonicadores: