超音波剥離法によるルテニウム酸化物ナノシート

酸化ルテニウム単層ナノシートは、プローブ型超音波処理を用いて効率的に製造できる。超音波ナノシート剥離の主な利点は、プロセス効率、高収率、短時間処理、容易で安全な操作である。その高い効率と製造されるナノシートの優れた品質から、超音波処理はグラフェンやボロフェンなど数多くのナノシートの工業的製造に用いられている。

酸化ルテニウムナノシートの超音波剥離

酸化ルテニウム（RuO2、別名ルテネート）ナノシートは、高導電性、低抵抗率、高安定性、高仕事関数、ドライエッチングに対する良好な感受性といったユニークな特性を備えている。このため、酸化ルテニウムはメモリー・デバイスやトランジスタの電極に適した材料である。

a)1分間、b)7分間の超音波処理により剥離したRuO2ナノシートのSEM像。
(研究および写真：©Kim et al, 2021）

ケーススタディプローブ型超音波発生装置による高効率RuO2剥離

Kimら（2021）は彼らの研究で、酸化ルテニウム単層ナノシートの剥離が大幅に改善されたことを示した。研究者は、超音波処理を用いて薄いRuO2金属酸化物シートを高収率で作成した。イオン交換反応による従来のインターカレーションプロセスは、分子の大きさと反応に必要な化学エネルギーのため、時間がかかり、限られた量の二次元（2D）ナノシートしか得られない。このプロセスを高速化し、生成する酸化ルテニウムナノシートの量を増やすために、研究チームは酸化ルテニウムの溶液に超音波エネルギーを加えることで剥離プロセスを強化した。その結果、わずか15分間の超音波照射で、シートの量は50％以上増加し、同時にシートの横方向の大きさは減少した。密度汎関数理論計算により、RuO2層を小さな横方向のサイズに分割することで、剥離の活性化エネルギーが大幅に減少することが示された。このサイズ縮小は、超音波処理によって金属酸化物層がより容易に分解されたために起こった。この研究は、超音波を使うことが、酸化ルテニウム単層ナノシートを作るための簡単で良い方法であることを強調している。このことは、超音波支持イオン交換プロセスが、2次元金属酸化物ナノシートを作製するための簡便で効率的なアプローチを提供することを示している。超音波剥離の利点は、グラフェンやボロフェンなどの2次元ナノ材料（キセンとしても知られる）の製造技術として、超音波剥離・層間剥離が広く用いられている理由を説明するものである。

超音波剥離法により、酸化ルテニウム2次元ナノシートの高効率かつ高速な大量生産が促進される
(研究および写真：©Kim et al, 2021）。

超音波アシスト酸化ルテニウム剥離のプロトコール

以下のプロトコールは、Kimら(2021)が記述しているように、超音波支持イオン交換反応プロセスを用いたRuO2ナノシート合成のステップバイステップの手順である。
 

1. RuO2とインターカ ラントを溶媒（2-プロパノール）に溶かし、最大3日間攪拌して溶液を調製する。
2. RuO2ナノシートの収率を50％以上増加させ、RuO2層を均一な小さな横方向のサイズに分割するために、プローブ型超音波発生装置（例えば、ソノトロードBS4d22を備えたプローブ型超音波発生装置UP1000hdT（1000W、20kHz））を用いて超音波エネルギーを溶液に15分間加える。
3. 密度汎関数理論計算を用いて、剥離の活性化エネルギーが大幅に減少したことを確認する。
4. 得られたRuO2ナノシートを回収し、さまざまな用途に利用できる。

 
RuO2ナノシートの超音波剥離のためのこのプロトコルの単純さは、超音波ナノシート製造の利点を強調している。超音波照射は、厚さ約1nmの高品質の単層RuO2ナノシートを製造するための非常に効率的な技術である。また、このプロトコルはスケーラブルで再現性が高く、エレクトロニクス、触媒、エネルギー貯蔵など様々な用途のRuO2ナノシートの大量生産に適していることがわかった。

水中でのグラファイト薄片の超音波機械的剥離を示すフレームの高速シーケンス（aからf）。 3mmのソノトロードを備えた200W超音波発生装置UP200Sを使用。 矢印は、キャビテーション気泡が貫通した割れ目（剥離）の場所を示す。
(研究と写真：Tyurnina et al.

RuO2剥離のための高性能超音波発生装置

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デザイン、製造、コンサルティング – 品質 ドイツ製

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下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：