Nanofogli di ossido di rutenio mediante esfoliazione a ultrasuoni

I nanofogli monostrato di ossido di rutenio possono essere prodotti in modo efficiente mediante sonicazione con sonda. I principali vantaggi dell’esfoliazione a ultrasuoni dei nanofogli sono l’efficienza del processo, le rese elevate, i tempi di trattamento brevi e la semplicità e sicurezza d’uso. Grazie alla sua elevata efficienza e alla qualità superiore dei nanofogli prodotti, la sonicazione viene utilizzata per la produzione industriale di numerosi nanofogli, tra cui quelli di grafene e borofene.

Esfoliazione a ultrasuoni dei nanofogli di ossido di rutenio

I nanofogli di ossido di rutenio (RuO2, noto anche come rutenato) offrono proprietà uniche, quali elevata conducibilità, bassa resistività, elevata stabilità, elevata funzione lavoro e buona suscettibilità all’incisione a secco. Queste caratteristiche rendono l’ossido di rutenio un buon materiale per gli elettrodi nei dispositivi di memoria e nei transistor.

Immagini SEM di nanofogli di RuO2 esfoliati mediante a) 1 minuto e b) 7 minuti di sonicazione.
(studio e immagini: ©Kim et al., 2021)

Caso di studio: esfoliazione altamente efficiente del RuO2 mediante un sonicatore a sonda

Kim et al. (2021) hanno dimostrato nel loro studio un significativo miglioramento dell’esfoliazione dei nanofogli monostrato di ossido di rutenio. Il ricercatore ha ottenuto rese elevate di sottili fogli di ossido metallico RuO2 mediante sonicazione. Il processo convenzionale di intercalazione mediante reazioni di scambio ionico è lento e produce solo quantità limitate di nanofogli bidimensionali (2D), a causa delle dimensioni delle molecole e dell’energia chimica necessaria per la reazione. Per accelerare il processo e aumentare la quantità di nanofogli di ossido di rutenio prodotti, hanno intensificato il processo di esfoliazione applicando energia ultrasonica alla soluzione di ossido RuO2. Hanno riscontrato che, dopo soli 15 minuti di sonicazione, la quantità di fogli aumentava di oltre il 50%, mentre contemporaneamente le dimensioni laterali dei fogli diminuivano. I calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità hanno dimostrato che l’energia di attivazione dell’esfoliazione si riduce significativamente suddividendo gli strati di RuO2 in porzioni di piccole dimensioni laterali. Questa riduzione dimensionale avviene perché la sonicazione facilita la frammentazione degli strati di ossido metallico. Questa ricerca sottolinea che l’uso degli ultrasuoni è un metodo valido e semplice per produrre nanofogli monostrato di ossido di rutenio. Ciò dimostra che un processo di scambio ionico assistito da ultrasuoni offre un approccio semplice ed efficiente per la fabbricazione di nanofogli 2D di ossidi metallici. I vantaggi dell’esfoliazione a ultrasuoni spiegano perché l’esfoliazione e la delaminazione a ultrasuoni sono ampiamente utilizzate come tecniche di produzione di nanomateriali 2D, noti anche come xeni, tra cui grafene e borofene.

L’esfoliazione a ultrasuoni favorisce la produzione altamente efficiente e accelerata su larga scala di nanofogli 2D di ossido di rutenio
(studio e immagini: ©Kim et al., 2021).

Protocollo per l’esfoliazione dell’ossido di rutenio assistita da ultrasuoni

Il seguente protocollo fornisce istruzioni passo dopo passo per sintetizzare nanofogli di RuO2 mediante un processo di reazione di scambio ionico assistito da ultrasuoni, come descritto da Kim et al. (2021).
 

1. Preparare una soluzione di RuO2 e di un agente intercalante sciogliendoli nel solvente (2-propanolo) e agitando per un massimo di 3 giorni.
2. Applicare energia ultrasonica alla soluzione mediante un sonicatore a sonda (ad esempio, il sonicatore a sonda UP1000hdT (1000W, 20kHz) con sonotrodo BS4d22) per 15 minuti, al fine di aumentare la resa dei nanofogli di RuO2 di oltre il 50% e suddividere gli strati di RuO2 in porzioni con dimensioni laterali uniformemente ridotte.
3. Utilizzare calcoli basati sulla teoria del funzionale della densità per confermare che l’energia di attivazione dell’esfoliazione si riduce significativamente.
4. Raccogliere i nanofogli di RuO2 risultanti, che possono essere utilizzati per varie applicazioni.

 
La semplicità di questo protocollo per l’esfoliazione a ultrasuoni dei nanofogli di RuO2 sottolinea i vantaggi della produzione di nanofogli mediante ultrasuoni. La sonicazione è una tecnica altamente efficiente per produrre nanofogli monostrato di RuO2 di alta qualità con uno spessore di circa 1 nm. Il protocollo è risultato anche scalabile e riproducibile, caratteristiche che lo rendono adatto alla produzione su larga scala di nanofogli di RuO2 per varie applicazioni nell’elettronica, nella catalisi e nell’accumulo di energia.
 
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Una sequenza ad alta velocità (da a a f) di fotogrammi che illustra l’esfoliazione sonomeccanica di una scaglia di grafite in acqua utilizzando UP200S, un sonicatore da 200W con sonotrodo da 3-mm. Le frecce indicano il punto di separazione (esfoliazione), con bolle di cavitazione che penetrano nella fessura.
(studio e immagini: © Tyurnina et al. 2020

Sonicatori ad alte prestazioni per l’esfoliazione del RuO2

Per la produzione di nanofogli di ossido di rutenio e di altri xeni di alta qualità sono necessarie apparecchiature a ultrasuoni affidabili e ad alte prestazioni. Ampiezza, pressione e temperatura sono parametri essenziali, fondamentali per la riproducibilità e l’uniformità del prodotto. I processori Hielscher Ultrasonics sono sistemi potenti e controllabili con precisione, che consentono l’impostazione esatta dei parametri di processo e l’erogazione continua di ultrasuoni ad alta potenza. I sonicatori industriali Hielscher possono erogare ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente mantenute in modo continuo durante il funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora più elevate sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni di lavoro gravose e in ambienti impegnativi.
I nostri clienti sono soddisfatti dell’eccezionale robustezza e affidabilità dei sistemi Hielscher Ultrasonics. L’installazione in ambiti di applicazione gravosi (ad esempio, il trattamento su larga scala di nanomateriali), in ambienti impegnativi e il funzionamento 24/7 garantiscono un trattamento efficiente ed economico. L’intensificazione dei processi mediante ultrasuoni riduce i tempi di trattamento e consente di ottenere risultati migliori, ossia qualità superiore, rese più elevate e prodotti innovativi.

Progettazione, produzione e consulenza – Qualità Made in Germany

I sonicatori Hielscher sono rinomati per i loro elevatissimi standard di qualità e progettazione. La robustezza e la semplicità d’uso consentono un’integrazione agevole dei nostri sonicatori negli impianti industriali. I sonicatori Hielscher affrontano facilmente condizioni gravose e ambienti impegnativi.

Hielscher Ultrasonics è un’azienda certificata ISO e pone particolare attenzione ai sonicatori ad alte prestazioni dotati di tecnologia all’avanguardia e caratterizzati dalla facilità d’uso. Naturalmente, i sonicatori Hielscher sono conformi ai requisiti CE e soddisfano i requisiti UL, CSA e RoHs.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: