Las nanohojas monocapa de óxido de rutenio pueden producirse eficazmente mediante ultrasonidos de tipo sonda. Las principales ventajas de la exfoliación ultrasónica de nanohojas son la eficacia del proceso, el alto rendimiento, la brevedad del tratamiento y la facilidad y seguridad de la operación. Debido a su gran eficacia y a la calidad superior de las nanohojas producidas, la ultrasonicación se utiliza para la producción industrial de numerosas nanohojas, incluidos el grafeno y el borofeno.

Exfoliación ultrasónica de nanohojas de óxido de rutenio

Las nanohojas de óxido de rutenio (RuO2, también conocido como rutenato) ofrecen propiedades únicas como alta conductividad, baja resistividad, alta estabilidad, alta función de trabajo y buena susceptibilidad al grabado en seco. Esto hace del óxido de rutenio un buen material para electrodos en dispositivos de memoria y transistores.

Imágenes SEM de nanohojas de RuO2 exfoliadas utilizando a) 1 minuto y b) 7 minutos de ultrasonidos.
(estudio e imágenes: ©Kim et al., 2021)

Estudio de caso: Exfoliación de RuO2 de alta eficacia mediante un ultrasonido de sonda

Kim et al. (2021) mostraron en su estudio la mejora significativa en la exfoliación de nanohojas monocapa de óxido de rutenio. El investigador creó altos rendimientos de finas láminas de óxido metálico RuO2 utilizando ultrasonidos. El proceso convencional de intercalación mediante reacciones de intercambio iónico es lento y sólo produce cantidades limitadas de nanohojas 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 de óxido de RuO2. Comprobaron que tras sólo 15 minutos de ultrasonidos, la cantidad de láminas aumentaba en más de un 50%, disminuyendo simultáneamente el tamaño lateral de las láminas. Los cálculos de la teoría del funcional de la densidad demostraron que la energía de activación de la exfoliación se reduce significativamente al dividir las capas de RuO2 en un tamaño lateral pequeño. Esta reducción de tamaño se produce porque la sonicación ayudó a separar más fácilmente las capas de óxido metálico. Esta investigación subraya que el uso de ultrasonidos es una forma buena y fácil de fabricar nanohojas monocapa de óxido de rutenio. Esto demuestra que un proceso de intercambio iónico apoyado por ultrasonidos ofrece un enfoque sencillo y eficaz para fabricar nanohojas de óxido metálico 2D. Las ventajas de la exfoliación ultrasónica explican por qué la exfoliación y deslaminación ultrasónicas se utilizan ampliamente como técnica de producción de nanomateriales 2D, también conocidos como xenos, entre los que se incluyen el grafeno y el borofeno.

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

Protocolo de exfoliación de óxido de rutenio asistida por ultrasonidos

El siguiente protocolo es una instrucción paso a paso para sintetizar nanohojas de RuO2 utilizando el proceso de reacción de intercambio iónico con soporte ultrasónico descrito por Kim et al. (2021).
 

1. Prepare una solución de RuO2 y un intercalante disolviéndolos en disolvente (2-propanol) y agitándolos durante un máximo de 3 días.
2. Aplicar energía ultrasónica utilizando un ultrasonicador tipo sonda (por ejemplo, ultrasonicador tipo sonda UP1000hdT (1000W, 20kHz) con sonotrodo BS4d22) a la solución durante 15 minutos para aumentar el rendimiento de las nanohojas de RuO2 en más del 50% y dividir las capas de RuO2 en un tamaño lateral uniformemente pequeño.
3. Utilizar cálculos de la teoría del funcional de la densidad para confirmar que la energía de activación de la exfoliación se reduce significativamente.
4. Recoger las nanohojas de RuO2 resultantes, que pueden utilizarse para diversas aplicaciones.

 
La simplicidad de este protocolo para la exfoliación ultrasónica de nanohojas de RuO2 subraya las ventajas de la producción ultrasónica de nanohojas. La sonicación es una técnica muy eficaz para producir nanohojas de RuO2 monocapa de alta calidad con un grosor de aproximadamente 1 nm. El protocolo también resultó ser escalable y reproducible, por lo que es adecuado para la producción a gran escala de nanohojas de RuO2 para diversas aplicaciones en electrónica, catálisis y almacenamiento de energía.

Secuencia de alta velocidad (de a a f) de fotogramas que ilustran la exfoliación sonomecánica de una escama de grafito en agua. utilizando el UP200S, un ultrasonicador de 200 W con sonotrodo de 3 mm. Las flechas muestran el lugar de la división (exfoliación) con burbujas de cavitación que penetran en la división.
(estudio e imágenes: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasonidos de alto rendimiento para la exfoliación de RuO2

Para la producción de nanoláminas de óxido de rutenio y otros xenos de alta calidad, se necesitan equipos de ultrasonidos fiables y de alto rendimiento. La amplitud, la presión y la temperatura son parámetros esenciales, cruciales para la reproducibilidad y la consistencia del producto. Los procesadores de ultrasonidos de Hielscher son sistemas potentes y controlables con precisión, que permiten el ajuste exacto de los parámetros del proceso y la salida continua de ultrasonidos de alta potencia. Los ultrasonidos industriales Hielscher pueden suministrar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite su funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo pesado y en entornos exigentes.
Nuestros clientes están satisfechos con la extraordinaria robustez y fiabilidad de los sistemas de Hielscher Ultrasonics. La instalación en campos de aplicación de alta resistencia (por ejemplo, procesamiento de nanomateriales a gran escala), entornos exigentes y un funcionamiento ininterrumpido garantizan un procesamiento eficaz y económico. La intensificación del proceso por ultrasonidos reduce el tiempo de procesamiento y consigue mejores resultados, es decir, mayor calidad, mayor rendimiento y productos innovadores.

Diseño, fabricación y consultoría – Calidad Made in Germany

Los ultrasonidos de Hielscher son conocidos por sus elevados estándares de calidad y diseño. Su robustez y fácil manejo permiten una integración sin problemas de nuestros ultrasonidos en las instalaciones industriales. Los ultrasonidos de Hielscher soportan sin problemas las condiciones más duras y los entornos más exigentes.

Hielscher Ultrasonics es una empresa con certificación ISO y pone especial énfasis en los ultrasonidos de alto rendimiento con tecnología punta y facilidad de uso. Por supuesto, los ultrasonidos de Hielscher cumplen la normativa CE y los requisitos de UL, CSA y RoHs.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: