نانوورقه‌های اکسید روتنیم با لایه‌برداری فراصوتی
نانوورقه‌های تک‌لایهٔ اکسید روتنیم را می‌توان با استفاده از فراصوت‌دهی پروبی به‌طور کارآمد تولید کرد. مزایای اصلی لایه‌برداری فراصوتی نانوورقه‌ها شامل کارایی فرایند، بازده بالا، زمان کوتاه تیمار و کاربری آسان و ایمن است. فراصوت‌دهی به‌دلیل کارایی بالا و کیفیت برتر نانوورقه‌های تولیدشده، برای تولید صنعتی انواع متعددی از نانوورقه‌ها، از جمله گرافن و بوروفن، استفاده می‌شود.
لایه‌برداری فراصوتی نانوورقه‌های اکسید روتنیم
نانوورقه‌های اکسید روتنیم (RuO2، که با نام روتنات نیز شناخته می‌شود) خواص منحصربه‌فردی مانند رسانایی بالا، مقاومت ویژهٔ پایین، پایداری بالا، تابع کار بالا و قابلیت مناسب برای اچ خشک دارند. این ویژگی‌ها اکسید روتنیم را به ماده‌ای مناسب برای الکترودهای ادوات حافظه و ترانزیستورها تبدیل می‌کند.
تصاویر SEM از نانوورقه‌های RuO2 لایه‌برداری‌شده با استفاده از a) 1 دقیقه و b) 7 دقیقه فراصوت‌دهی.
(پژوهش و تصاویر: ©Kim et al., 2021)
سامانهٔ صنعتی فراصوت پرتوان برای لایه‌برداری صنعتی درون‌خطی نانوورقه‌های اکسید روتنیم.
مطالعهٔ موردی: لایه‌برداری بسیار کارآمد RuO2 با استفاده از سونیکاتور پروبی
Kim et al. (2021) در مطالعهٔ خود بهبود چشمگیر لایه‌برداری نانوورقه‌های تک‌لایهٔ اکسید روتنیم را نشان دادند. پژوهشگر با استفاده از فراصوت‌دهی، ورقه‌های نازک اکسید فلزی RuO2 را با بازده بالا تولید کرد. فرایند متداول بین‌لایه‌نشانی از طریق واکنش‌های تبادل یونی کند است و به‌دلیل اندازهٔ مولکول‌ها و انرژی شیمیایی موردنیاز برای واکنش، تنها مقادیر محدودی از نانوورقه‌های دوبعدی (2D) تولید می‌کند. برای تسریع فرایند و افزایش مقدار نانوورقه‌های اکسید روتنیم تولیدشده، آن‌ها با اعمال انرژی فراصوت به محلول اکسید RuO2، فرایند لایه‌برداری را تشدید کردند. آن‌ها دریافتند که تنها پس از 15 دقیقه فراصوت‌دهی، مقدار ورقه‌ها بیش از 50% افزایش یافت و هم‌زمان اندازهٔ جانبی ورقه‌ها کاهش پیدا کرد. محاسبات نظریهٔ تابعی چگالی نشان داد که با شکستن لایه‌های RuO2 به قطعاتی با اندازهٔ جانبی کوچک، انرژی فعال‌سازی لایه‌برداری به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد. این کاهش اندازه به این دلیل رخ می‌دهد که فراصوت‌دهی به جدا شدن آسان‌تر لایه‌های اکسید فلزی کمک می‌کند. این پژوهش تأکید می‌کند که استفاده از فراصوت، روشی مناسب و آسان برای ساخت نانوورقه‌های تک‌لایهٔ اکسید روتنیم است. این موضوع نشان می‌دهد که فرایند تبادل یونی به کمک فراصوت، رویکردی آسان و کارآمد برای ساخت نانوورقه‌های اکسید فلزی 2D ارائه می‌دهد. مزایای لایه‌برداری فراصوتی توضیح می‌دهد که چرا لایه‌برداری و جداسازی لایه‌ها با فراصوت، به‌طور گسترده به‌عنوان روش تولید نانومواد 2D، که با نام زین‌ها نیز شناخته می‌شوند و شامل گرافن و بوروفن هستند، به کار می‌رود.
لایه‌برداری فراصوتی به تولید بسیار کارآمد و سریع‌تر نانوورقه‌های 2D اکسید روتنیم در مقیاس بزرگ کمک می‌کند
(پژوهش و تصاویر: ©Kim et al., 2021).
لایه‌برداری فراصوتی نانوورقه‌های RuO2 در مقیاس آزمایشگاهی نیز قابل انجام است. تصویر، سونیکاتور پروبی UP400St را نشان می‌دهد هنگام لایه‌برداری نانوورقه‌ها در یک بشر.
دستورالعمل لایه‌برداری اکسید روتنیم به کمک فراصوت
دستورالعمل زیر راهنمایی گام‌به‌گام برای سنتز نانوورقه‌های RuO2 با استفاده از فرایند واکنش تبادل یونی به کمک فراصوت است که Kim et al. (2021) شرح داده‌اند.
- محلولی از RuO2 و یک عامل بین‌لایه‌نشانی را با حل کردن آن‌ها در حلال (2-پروپانول) و هم‌زدن به‌مدت حداکثر 3 روز تهیه کنید.
- با استفاده از یک سونیکاتور پروبی (برای مثال، سونیکاتور پروبی UP1000hdT (1000W, 20kHz) مجهز به سونوتْرود BS4d22)، انرژی فراصوت را به‌مدت 15 دقیقه به محلول اعمال کنید تا بازده نانوورقه‌های RuO2 بیش از 50% افزایش یابد و لایه‌های RuO2 به قطعاتی با اندازهٔ جانبی کوچک و یکنواخت شکسته شوند.
- با استفاده از محاسبات نظریهٔ تابعی چگالی تأیید کنید که انرژی فعال‌سازی لایه‌برداری به‌طور چشمگیری کاهش یافته است.
- نانوورقه‌های RuO2 حاصل را جمع‌آوری کنید؛ این نانوورقه‌ها در کاربردهای گوناگون قابل استفاده‌اند.
سادگی این دستورالعمل برای لایه‌برداری فراصوتی نانوورقه‌های RuO2، مزایای تولید فراصوتی نانوورقه‌ها را برجسته می‌کند. فراصوت‌دهی روشی بسیار کارآمد برای تولید نانوورقه‌های تک‌لایهٔ RuO2 با کیفیت بالا و ضخامت تقریبی 1 nm است. همچنین مشخص شد که این دستورالعمل مقیاس‌پذیر و تکرارپذیر است و ازاین‌رو برای تولید نانوورقه‌های RuO2 در مقیاس بزرگ، برای کاربردهای گوناگون در الکترونیک، کاتالیز و ذخیره‌سازی انرژی مناسب است.
دربارهٔ سنتز سونوشیمیایی نانوپولک‌های SnOx بیشتر بخوانید!
توالی پرسرعتی از فریم‌ها (از a تا f) که لایه‌برداری صوتی–مکانیکی یک پولک گرافیت در آب را نشان می‌دهد با استفاده از UP200S، یک سونیکاتور 200W مجهز به سونوتْرود 3-mm. پیکان‌ها محل شکافتن (لایه‌برداری) را نشان می‌دهند که حباب‌های کاویتاسیون به شکاف آن نفوذ می‌کنند.
(پژوهش و تصاویر: © Tyurnina et al. 2020
سازوکار لایه‌برداری فراصوتی نانوورقه‌های 2D.
(پژوهش و طرح گرافیکی: Tyurnina et al., 2020)
سونیکاتورهای پربازده برای لایه‌برداری RuO2
برای تولید نانوورقه‌های باکیفیت اکسید روتنیم و سایر زین‌ها، تجهیزات فراصوتی قابل‌اعتماد و پربازده موردنیاز است. دامنه، فشار و دما پارامترهای اساسی هستند که برای تکرارپذیری و دستیابی به محصولی با ویژگی‌های ثابت اهمیت حیاتی دارند. پردازشگرهای Hielscher Ultrasonics سامانه‌هایی قدرتمند با قابلیت کنترل دقیق هستند که تنظیم دقیق پارامترهای فرایند و خروجی پیوستهٔ فراصوت پرتوان را امکان‌پذیر می‌کنند. سونیکاتورهای صنعتی Hielscher می‌توانند دامنه‌های بسیار بالا ایجاد کنند. کارکرد پیوسته با دامنه‌هایی تا 200µm در بهره‌برداری 24/7 به‌آسانی امکان‌پذیر است. برای دامنه‌های بالاتر نیز سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی موجود هستند. استحکام تجهیزات فراصوتی Hielscher، کارکرد 24/7 را تحت بار کاری سنگین و در محیط‌های دشوار امکان‌پذیر می‌کند.
مشتریان ما از استحکام و قابلیت اعتماد برجستهٔ سامانه‌های Hielscher Ultrasonics رضایت دارند. نصب در حوزه‌های کاربرد با بار کاری سنگین (برای مثال، پردازش نانومواد در مقیاس بزرگ)، محیط‌های دشوار و کارکرد 24/7، پردازشی کارآمد و اقتصادی را تضمین می‌کند. تشدید فرایند با فراصوت، زمان پردازش را کاهش می‌دهد و نتایج بهتری، یعنی کیفیت بالاتر، بازده بیشتر و محصولات نوآورانه، به همراه دارد.
طراحی، ساخت و مشاوره – کیفیت ساخت آلمان
سونیکاتورهای Hielscher به بالاترین استانداردهای کیفیت و طراحی شناخته می‌شوند. استحکام و کاربری آسان، ادغام بی‌دردسر سونیکاتورهای ما در تأسیسات صنعتی را امکان‌پذیر می‌کند. سونیکاتورهای Hielscher به‌آسانی از عهدهٔ شرایط سخت و محیط‌های دشوار برمی‌آیند.
Hielscher Ultrasonics شرکتی دارای گواهینامهٔ ISO است و بر سونیکاتورهای پربازده با فناوری روز و کاربری آسان تأکید ویژه‌ای دارد. البته سونیکاتورهای Hielscher با CE مطابقت دارند و الزامات UL، CSA و RoHs را برآورده می‌کنند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم هر بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 0٫5 تا 1٫5mL | قابل اعمال نیست | VialTweeter | 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی پربازده را برای کاربردهای اختلاط، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- Kim, Se Yun; Kim, Sang-il; Kim, Mun Kyoung; Kim, Jinhong; Mizusaki, Soichiro; Ko, Dong-Su; Jung, Changhoon; Yun, Dong-Jin; Roh, Jong Wook; Kim, Hyun-Sik; Sohn, Hiesang; Lim, Jong-Hyeong; Oh, Jong-Min; Jeong, Hyung Mo; Shin, Weon Ho, (2021): Ultrasonic Assisted Exfoliation for Efficient Production of RuO2 Monolayer Nanosheets. Inorganic Chemistry Frontiers 2021.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی پربازده را در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.