ננו־יריעות של תחמוצת רותניום באמצעות קילוף אולטרסוני

ניתן לייצר ביעילות ננו־יריעות חד־שכבתיות של תחמוצת רותניום באמצעות סוניקציה עם גשוש. היתרונות העיקריים של קילוף אולטרסוני של ננו־יריעות הם יעילות התהליך, תפוקות גבוהות, טיפול קצר ותפעול פשוט ובטוח. בזכות יעילותה הגבוהה והאיכות המעולה של ננו־היריעות המיוצרות, סוניקציה משמשת לייצור תעשייתי של ננו־יריעות רבות, ובהן גרפן ובורופן.

קילוף אולטרסוני של ננו־יריעות תחמוצת רותניום

ננו־יריעות של תחמוצת רותניום (RuO2, הידועה גם בשם רותנאט) מציעות תכונות ייחודיות כגון מוליכות גבוהה, התנגדות סגולית נמוכה, יציבות גבוהה, פונקציית עבודה גבוהה והתאמה טובה לאיכול יבש. תכונות אלה הופכות את תחמוצת הרותניום לחומר טוב לאלקטרודות בהתקני זיכרון ובטרנזיסטורים.

תמונות SEM של ננו־יריעות RuO2 שקולפו באמצעות סוניקציה במשך a) 1 דקה ו־b) 7 דקות.
(מחקר ותמונות: ©Kim ואחרים, 2021)

חקר מקרה: קילוף יעיל ביותר של RuO2 באמצעות מכשיר אולטרסוני עם גשוש

Kim ואחרים (2021) הראו במחקרם שיפור משמעותי בקילוף ננו־יריעות חד־שכבתיות של תחמוצת רותניום. החוקר הפיק תפוקות גבוהות של יריעות דקות של תחמוצת המתכת RuO2 באמצעות סוניקציה. תהליך האינטרקלציה המקובל באמצעות תגובות חילוף יונים הוא איטי ומפיק כמויות מוגבלות בלבד של ננו־יריעות דו־ממדיות (2D), בשל גודל המולקולות והאנרגיה הכימית הנדרשת לתגובה. כדי להאיץ את התהליך ולהגדיל את כמות ננו־היריעות של תחמוצת רותניום המיוצרות, הם הגבירו את תהליך הקילוף באמצעות הפעלת אנרגיית אולטרסאונד על תמיסת תחמוצת RuO2. הם מצאו כי לאחר 15 דקות סוניקציה בלבד, כמות היריעות גדלה ביותר מ־50%, ובו־זמנית גודלן במישור היריעה פחת. חישובים המבוססים על תורת פונקציונל הצפיפות הראו כי אנרגיית השפעול של הקילוף פוחתת באופן משמעותי בעקבות פיצול שכבות ה־RuO2 לחלקים קטנים במישור השכבה. הקטנה זו מתרחשת משום שהסוניקציה סייעה לפרק את שכבות תחמוצת המתכת ביתר קלות. מחקר זה מדגיש כי שימוש באולטרסאונד הוא דרך טובה וקלה לייצור ננו־יריעות חד־שכבתיות של תחמוצת רותניום. הדבר מראה כי תהליך חילוף יונים בסיוע אולטרסאונד מציע גישה פשוטה ויעילה לייצור ננו־יריעות דו־ממדיות (2D) של תחמוצות מתכת. היתרונות של קילוף אולטרסוני מסבירים מדוע קילוף והפרדת שכבות באמצעות אולטרסאונד משמשים באופן נרחב כשיטת ייצור לננו־חומרים דו־ממדיים (2D), הידועים גם בשם xenes, ובהם גרפן ובורופן.

קילוף אולטרסוני מקדם ייצור יעיל ביותר ומואץ של ננו־יריעות דו־ממדיות (2D) של תחמוצת רותניום בקנה מידה גדול
(מחקר ותמונות: ©Kim ואחרים, 2021).

פרוטוקול לקילוף תחמוצת רותניום בסיוע אולטרסאונד

הפרוטוקול הבא מספק הוראות שלב אחר שלב לסינתזה של ננו־יריעות RuO2 באמצעות תהליך של תגובת חילוף יונים בסיוע אולטרסאונד, כפי שתואר בידי Kim ואחרים (2021).
 

1. הכינו תמיסה של RuO2 וחומר אינטרקלציה באמצעות המסתם בממס (2-propanol) וערבוב במשך עד 3 ימים.
2. הפעילו על התמיסה אנרגיית אולטרסאונד באמצעות מכשיר אולטרסוני עם גשוש (למשל, המכשיר האולטרסוני עם הגשוש UP1000hdT (1000W, 20kHz) עם סונוטרודה BS4d22) במשך 15 דקות, כדי להגדיל את תפוקת ננו־יריעות ה־RuO2 ביותר מ־50% ולפצל את שכבות ה־RuO2 לחלקים בעלי גודל קטן ואחיד במישור השכבה.
3. השתמשו בחישובים המבוססים על תורת פונקציונל הצפיפות כדי לאשר שאנרגיית השפעול של הקילוף פוחתת באופן משמעותי.
4. אספו את ננו־יריעות ה־RuO2 שהתקבלו, אשר יכולות לשמש ליישומים שונים.

 
פשטותו של פרוטוקול זה לקילוף אולטרסוני של ננו־יריעות RuO2 מדגישה את היתרונות של ייצור ננו־יריעות באמצעות אולטרסאונד. סוניקציה היא שיטה יעילה ביותר לייצור ננו־יריעות RuO2 חד־שכבתיות באיכות גבוהה ובעובי של כ־1 nm. נמצא גם שניתן להגדיל את קנה המידה של הפרוטוקול ולשחזר את תוצאותיו, ולכן הוא מתאים לייצור בקנה מידה גדול של ננו־יריעות RuO2 למגוון יישומים באלקטרוניקה, בקטליזה ובאגירת אנרגיה.
 
קראו עוד על סינתזה סונוכימית של ננו־פתיתי SnOx!
 

רצף פריימים שצולם במהירות גבוהה (מ־a עד f), הממחיש קילוף סונו־מכני של פתית גרפיט במים באמצעות UP200S, מכשיר אולטרסוני בהספק 200W עם סונוטרודה בגודל 3-mm. החצים מציינים את מקום הפיצול (הקילוף), כאשר בועות קוויטציה חודרות אל הסדק.
(מחקר ותמונות: © Tyurnina ואחרים 2020

מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים לקילוף RuO2

לייצור ננו־יריעות איכותיות של תחמוצת רותניום ושל חומרי xenes אחרים נדרש ציוד אולטרסוני אמין ובעל ביצועים גבוהים. משרעת, לחץ וטמפרטורה הם פרמטרים חיוניים, המכריעים ליכולת לשחזר את התוצאות ולקבל מוצר עקבי. המעבדים של Hielscher Ultrasonics הם מערכות עוצמתיות הניתנות לבקרה מדויקת, ומאפשרות לקבוע במדויק את פרמטרי התהליך ולספק אולטרסאונד רציף בהספק גבוה. המכשירים האולטרסוניים התעשייתיים של Hielscher יכולים לספק משרעות גבוהות מאוד. ניתן להפעיל בקלות וברציפות משרעות של עד 200µm בפעולה 24/7. למשרעות גבוהות אף יותר, זמינות סונוטרודות אולטרסוניות בהתאמה אישית. עמידותו של הציוד האולטרסוני של Hielscher מאפשרת הפעלה 24/7 בעומס עבודה כבד ובסביבות תובעניות.
לקוחותינו מרוצים מהעמידות ומהאמינות יוצאות הדופן של מערכות Hielscher Ultrasonics. התקנתן בתחומים של יישומים בעומס עבודה כבד (למשל, עיבוד ננו־חומרים בקנה מידה גדול), בסביבות תובעניות ובהפעלה 24/7 מבטיחה עיבוד יעיל וחסכוני. הגברת תהליכים באמצעות אולטרסאונד מקצרת את זמן העיבוד ומשיגה תוצאות טובות יותר, כלומר איכות גבוהה יותר, תפוקות גבוהות יותר ומוצרים חדשניים.

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

המכשירים האולטרסוניים של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר של איכות ותכנון. עמידות וקלות תפעול מאפשרות לשלב את המכשירים האולטרסוניים שלנו בצורה חלקה במתקנים תעשייתיים. המכשירים האולטרסוניים של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO, והיא שמה דגש מיוחד על מכשירים אולטרסוניים בעלי ביצועים גבוהים, הכוללים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, המכשירים האולטרסוניים של Hielscher תואמים ל־CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו־RoHs.

הטבלה שלהלן מציגה הערכה של כושר העיבוד של המכשירים האולטרסוניים שלנו: