Ruténium-oxid nanolemezek ultrahangos exfoliációval

Egyrétegű ruténium-oxid nanolemezek hatékonyan állíthatók elő szondás ultrahangos kezeléssel. A nanolemezek ultrahangos exfoliációjának fő előnyei a folyamat hatékonysága, a nagy hozam, a rövid kezelési idő, valamint az egyszerű és biztonságos működtetés. Nagy hatékonysága és az előállított nanolemezek kiváló minősége miatt az ultrahangos kezelést számos nanolemez, köztük grafén és borofén ipari előállítására használják.

Ruténium-oxid nanolemezek ultrahangos exfoliációja

A ruténium-oxid (RuO2, más néven rutenát) nanolemezek egyedülálló tulajdonságokkal rendelkeznek, például nagy vezetőképességgel, kis fajlagos ellenállással, nagy stabilitással, nagy kilépési munkával és jó szárazmarathatósággal. Ez a ruténium-oxidot jó anyaggá teszi memóriaeszközökben és tranzisztorokban alkalmazott elektródákhoz.

a) 1 perces és b) 7 perces ultrahangos kezeléssel exfoliált RuO2 nanolemezek SEM-képei.
(tanulmány és képek: ©Kim et al., 2021)

Esettanulmány: rendkívül hatékony RuO2-exfoliáció szondás ultrahangos készülékkel

Kim et al. (2021) tanulmányukban bemutatták az egyrétegű ruténium-oxid nanolemezek exfoliációjának jelentős javulását. A kutató ultrahangos kezeléssel nagy hozammal állított elő vékony RuO2 fém-oxid lemezeket. Az ioncserereakciókon alapuló hagyományos interkalációs folyamat lassú, és a molekulák mérete, valamint a reakcióhoz szükséges kémiai energia miatt csak korlátozott mennyiségű kétdimenziós (2D) nanolemezt eredményez. A folyamat felgyorsítása és az előállított ruténium-oxid nanolemezek mennyiségének növelése érdekében ultrahangenergia bevitelével intenzívebbé tették az exfoliációs folyamatot a RuO2-oxid oldatában. Azt tapasztalták, hogy már mindössze 15 perc ultrahangos kezelés után több mint 50%-kal nőtt a lemezek mennyisége, miközben csökkent az oldalirányú méretük. A sűrűségfunkcionál-elméleti számítások kimutatták, hogy az exfoliáció aktiválási energiája jelentősen csökken, ha a RuO2-rétegeket kis oldalirányú méretű darabokra bontják. Ez a méretcsökkenés azért következik be, mert az ultrahangos kezelés elősegítette a fém-oxid rétegeinek könnyebb szétbontását. Ez a kutatás hangsúlyozza, hogy az ultrahang alkalmazása jó és egyszerű módszer egyrétegű ruténium-oxid nanolemezek előállítására. Ez azt mutatja, hogy az ultrahanggal támogatott ioncserefolyamat egyszerű és hatékony megközelítést kínál 2D fém-oxid nanolemezek előállítására. Az ultrahangos exfoliáció előnyei magyarázzák, hogy az ultrahangos exfoliációt és delaminációt miért használják széles körben a xének néven is ismert 2D nanoanyagok, köztük a grafén és a borofén előállítási technikájaként.

Az ultrahangos exfoliáció elősegíti a 2D ruténium-oxid nanolemezek rendkívül hatékony és felgyorsított, nagyüzemi előállítását
(tanulmány és képek: ©Kim et al., 2021).

Protokoll a ruténium-oxid ultrahanggal segített exfoliációjához

Az alábbi protokoll lépésről lépésre ismerteti a RuO2 nanolemezek szintézisét ultrahanggal támogatott ioncserereakcióval, Kim et al. (2021) leírása szerint.
 

1. Készítsen oldatot RuO2-ből és egy interkalálószerből úgy, hogy oldószerben (2-propanolban) feloldja őket, majd legfeljebb 3 napig keveri az oldatot.
2. Vigyen be ultrahangenergiát az oldatba szondás ultrahangos készülékkel (például BS4d22 szonotródával felszerelt UP1000hdT (1000W, 20kHz) szondás ultrahangos készülékkel) 15 percen keresztül, hogy a RuO2 nanolemezek hozamát több mint 50%-kal növelje, és a RuO2-rétegeket egyenletesen kis oldalirányú méretű darabokra bontsa.
3. Sűrűségfunkcionál-elméleti számításokkal igazolja, hogy az exfoliáció aktiválási energiája jelentősen csökken.
4. Gyűjtse össze a keletkező RuO2 nanolemezeket, amelyek különféle alkalmazásokhoz használhatók.

 
A RuO2 nanolemezek ultrahangos exfoliációjára szolgáló protokoll egyszerűsége hangsúlyozza a nanolemezek ultrahangos előállításának előnyeit. Az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony technika kiváló minőségű, körülbelül 1 nm vastagságú, egyrétegű RuO2 nanolemezek előállítására. A protokollt léptéknövelésre alkalmasnak és reprodukálhatónak is találták, így alkalmas RuO2 nanolemezek nagyüzemi előállítására az elektronika, a katalízis és az energiatárolás különféle alkalmazásaihoz.
 
Tudjon meg többet az SnOx nanopelyhek szonokémiai szintéziséről!
 

Nagy sebességű képsorozat (a-tól f-ig), amely egy grafitpehely vízben végzett szonomechanikai exfoliációját szemlélteti a 3-mm-es szonotródával felszerelt UP200S, egy 200W-os ultrahangos készülék, használatával. A nyilak a szétválás (exfoliáció) helyét mutatják, ahol kavitációs buborékok hatolnak be a résbe.
(tanulmány és képek: © Tyurnina et al. 2020

Nagyteljesítményű ultrahangos készülékek RuO2-exfoliációhoz

Kiváló minőségű ruténium-oxid nanolemezek és más xének előállításához megbízható, nagyteljesítményű ultrahangos berendezések szükségesek. Az amplitúdó, a nyomás és a hőmérséklet alapvető paraméterek, amelyek döntő fontosságúak a reprodukálhatóság és az állandó termékminőség szempontjából. A Hielscher Ultrasonics készülékei nagy teljesítményű és precízen szabályozható rendszerek, amelyek lehetővé teszik a folyamatparaméterek pontos beállítását és a nagy teljesítményű ultrahang folyamatos kibocsátását. A Hielscher ipari ultrahangos készülékei igen nagy amplitúdók elérésére képesek. Akár 200µm amplitúdó is könnyedén fenntartható folyamatos, 24/7 üzemmódban. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. A Hielscher ultrahangos berendezéseinek robusztussága nagy igénybevétel mellett és nehéz üzemi környezetben is lehetővé teszi a 24/7 működést.
Ügyfeleink elégedettek a Hielscher Ultrasonics rendszereinek kiemelkedő robusztusságával és megbízhatóságával. A nagy igénybevételű alkalmazási területeken (például nanoanyagok nagyüzemi feldolgozásában) és nehéz üzemi környezetben történő telepítés, valamint a 24/7 működés hatékony és gazdaságos feldolgozást biztosít. Az ultrahangos folyamatintenzifikálás csökkenti a feldolgozási időt, és jobb eredményeket ér el, azaz jobb minőséget, nagyobb hozamot és innovatív termékeket.

Tervezés, gyártás és tanácsadás – Németországban készült minőség

A Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb minőségi és tervezési színvonalukról ismertek. Robusztusságuk és egyszerű kezelhetőségük lehetővé teszi ultrahangos készülékeink zökkenőmentes integrálását ipari létesítményekbe. A Hielscher ultrahangos készülékei könnyedén megbirkóznak a zord körülményekkel és a nehéz üzemi környezettel.

A Hielscher Ultrasonics ISO-tanúsítvánnyal rendelkező vállalat, amely különös hangsúlyt fektet a legkorszerűbb technológiát és felhasználóbarát kezelhetőséget kínáló, nagyteljesítményű ultrahangos készülékekre. A Hielscher ultrahangos készülékei természetesen megfelelnek a CE-előírásoknak, valamint az UL, CSA és RoHs követelményeinek.

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról: