Nan listovi rutenijeva oksida dobiveni ultrazvučnom eksfolijacijom
Jednoslojni nanolistovi rutenijeva oksida mogu se učinkovito proizvesti ultrazvučnom obradom sondom. Glavne prednosti ultrazvučne eksfolijacije nanolistova jesu učinkovitost procesa, visoki prinosi, kratko trajanje obrade te jednostavan i siguran rad. Zbog visoke učinkovitosti i vrhunske kvalitete proizvedenih nanolistova ultrazvučna obrada primjenjuje se u industrijskoj proizvodnji brojnih nanolistova, uključujući grafen i borofen.
Ultrazvučna eksfolijacija nanolistova rutenijeva oksida
Nan listovi rutenijeva oksida (RuO2, poznatog i kao rutenat) nude jedinstvena svojstva kao što su visoka vodljivost, niska električna otpornost, visoka stabilnost, visok izlazni rad i dobra podložnost suhom jetkanju. Zbog toga je rutenijev oksid dobar materijal za elektrode u memorijskim uređajima i tranzistorima.
SEM snimke eksfoliranih nanolistova RuO2 nakon a) 1 minute i b) 7 minuta ultrazvučne obrade.
(istraživanje i slike: ©Kim et al., 2021)
Industrijski sustav ultrazvuka velike snage za industrijsku eksfolijaciju nanolistova rutenijeva oksida u kontinuiranom toku.
Studija slučaja: visokoučinkovita eksfolijacija RuO2 ultrazvučnim uređajem sa sondom
Kim et al. (2021) u svojem su istraživanju pokazali znatno poboljšanje eksfolijacije jednoslojnih nanolistova rutenijeva oksida. Istraživač je ultrazvučnom obradom ostvario visoke prinose tankih listova metalnog oksida RuO2. Konvencionalni proces interkalacije reakcijama ionske izmjene spor je i proizvodi samo ograničene količine dvodimenzionalnih (2D) nanolistova zbog veličine molekula i kemijske energije potrebne za reakciju. Kako bi ubrzali proces i povećali količinu proizvedenih nanolistova rutenijeva oksida, intenzivirali su proces eksfolijacije primjenom ultrazvučne energije na otopinu oksida RuO2. Utvrdili su da se nakon samo 15 minuta ultrazvučne obrade količina listova povećala za više od 50%, dok su se istodobno smanjile njihove bočne dimenzije. Izračuni u okviru teorije funkcionala gustoće pokazali su da se aktivacijska energija eksfolijacije znatno smanjuje razdvajanjem slojeva RuO2 na dijelove malih bočnih dimenzija. To smanjenje dimenzija nastaje jer je sonikacija olakšala razdvajanje slojeva metalnog oksida. Ovo istraživanje naglašava da je primjena ultrazvuka dobar i jednostavan način proizvodnje jednoslojnih nanolistova rutenijeva oksida. Time se pokazuje da proces ionske izmjene potpomognut ultrazvukom nudi jednostavan i učinkovit pristup izradi 2D nanolistova metalnih oksida. Prednosti ultrazvučne eksfolijacije objašnjavaju zašto se ultrazvučna eksfolijacija i delaminacija široko primjenjuju kao tehnika proizvodnje 2D nanomaterijala, poznatih i kao kseni, uključujući grafen i borofen.
Ultrazvučna eksfolijacija potiče visokoučinkovitu i ubrzanu proizvodnju 2D nanolistova rutenijeva oksida u velikim razmjerima
(istraživanje i slike: ©Kim et al., 2021).
Ultrazvučna eksfolijacija nanolistova RuO2 može se provoditi i u laboratorijskom mjerilu. Slika prikazuje ultrazvučni uređaj sa sondom UP400St tijekom eksfolijacije nanolistova u laboratorijskoj čaši.
Protokol za eksfolijaciju rutenijeva oksida potpomognutu ultrazvukom
Sljedeći protokol daje upute korak po korak za sintezu nanolistova RuO2 reakcijom ionske izmjene potpomognutom ultrazvukom, kako su opisali Kim et al. (2021).
- Pripremite otopinu RuO2 i interkalacijskog sredstva tako da ih otopite u otapalu (2-propanol) i miješate do 3 dana.
- Primjenjujte ultrazvučnu energiju na otopinu 15 minuta ultrazvučnim uređajem sa sondom (npr. ultrazvučnim uređajem sa sondom UP1000hdT (1000W, 20kHz) sa sonotrodom BS4d22) kako biste povećali prinos nanolistova RuO2 za više od 50% i razdvojili slojeve RuO2 na dijelove ujednačeno malih bočnih dimenzija.
- Izračunima u okviru teorije funkcionala gustoće potvrdite da je aktivacijska energija eksfolijacije znatno smanjena.
- Prikupite dobivene nanolistove RuO2, koji se mogu upotrebljavati za različite primjene.
Jednostavnost ovog protokola za ultrazvučnu eksfolijaciju nanolistova RuO2 naglašava prednosti ultrazvučne proizvodnje nanolistova. Sonikacija je visokoučinkovita tehnika za proizvodnju visokokvalitetnih jednoslojnih nanolistova RuO2 debljine približno 1 nm. Također je utvrđeno da se protokol može skalirati i reproducirati, što ga čini prikladnim za proizvodnju nanolistova RuO2 u velikim razmjerima za različite primjene u elektronici, katalizi i pohrani energije.
Pročitajte više o sonokemijskoj sintezi nanoljuski SnOx!
Niz kadrova snimljenih velikom brzinom (od a do f) koji prikazuju sonomehaničku eksfolijaciju grafitne ljuske u vodi primjenom uređaja UP200S, ultrazvučnog uređaja snage 200W sa sonotrodom promjera 3 mm. Strelice pokazuju mjesto razdvajanja (eksfolijacije) s kavitacijskim mjehurićima koji prodiru u pukotinu.
(istraživanje i slike: © Tyurnina et al. 2020
Mehanizam ultrazvučne eksfolijacije 2D nanolistova.
(istraživanje i grafički prikaz: Tyurnina et al., 2020)
Ultrazvučni uređaji visokih performansi za eksfolijaciju RuO2
Za proizvodnju visokokvalitetnih nanolistova rutenijeva oksida i drugih ksena potrebna je pouzdana ultrazvučna oprema visokih performansi. Amplituda, tlak i temperatura ključni su parametri za ponovljivost i ujednačen proizvod. Procesori Hielscher Ultrasonics snažni su sustavi s preciznim upravljanjem, koji omogućuju točno postavljanje procesnih parametara i kontinuiranu isporuku ultrazvuka velike snage. Industrijski ultrazvučni uređaji Hielscher mogu postići vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm lako se mogu kontinuirano održavati pri radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Robusnost ultrazvučne opreme Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima.
Naši su kupci zadovoljni iznimnom robusnošću i pouzdanošću sustava Hielscher Ultrasonics. Ugradnja u područjima primjene s velikim opterećenjima (npr. obrada nanomaterijala u velikim razmjerima), zahtjevnim okruženjima i rad 24/7 osiguravaju učinkovitu i ekonomičnu obradu. Ultrazvučna intenzifikacija procesa skraćuje vrijeme obrade i postiže bolje rezultate, odnosno višu kvalitetu, veće prinose i inovativne proizvode.
Projektiranje, proizvodnja i savjetovanje – kvaliteta proizvedena u Njemačkoj
Ultrazvučni uređaji Hielscher poznati su po najvišim standardima kvalitete i dizajna. Robusnost i jednostavno rukovanje omogućuju nesmetanu integraciju naših ultrazvučnih uređaja u industrijska postrojenja. Ultrazvučni uređaji Hielscher lako podnose teške uvjete i zahtjevna okruženja.
Hielscher Ultrasonics tvrtka je s ISO certifikatom koja poseban naglasak stavlja na ultrazvučne uređaje visokih performansi s najsuvremenijom tehnologijom i jednostavnim rukovanjem. Naravno, ultrazvučni uređaji Hielscher sukladni su zahtjevima CE te ispunjavaju zahtjeve UL, CSA i RoHs.
Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen šarže | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 0,5 do 1,5mL | nije primjenjivo | VialTweeter | 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| nije primjenjivo | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| nije primjenjivo | veći | skup uređaja UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za miješanje, dispergiranje, emulgiranje i ekstrakciju u laboratorijskom, pilotnom i industrijskom mjerilu.
Literatura / Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorijskih do industrijskih veličina.