Nanoplaten van rutheniumoxide via ultrasone exfoliatie

Nanoplaten bestaande uit één laag rutheniumoxide kunnen efficiënt worden geproduceerd met sonicatie met een sonde. Belangrijke voordelen van ultrasone exfoliatie van nanoplaten zijn procesefficiëntie, hoge opbrengsten, een korte behandeling en eenvoudige, veilige bediening. Vanwege de hoge efficiëntie en de superieure kwaliteit van de geproduceerde nanoplaten wordt sonicatie gebruikt voor de industriële productie van talrijke soorten nanoplaten, waaronder grafeen en borofeen.

Ultrasone exfoliatie van nanoplaten van rutheniumoxide

Nanoplaten van rutheniumoxide (RuO2, ook bekend als ruthenaat) bieden unieke eigenschappen zoals een hoge geleidbaarheid, een lage soortelijke weerstand, een hoge stabiliteit, een hoge uittree-arbeid en een goede gevoeligheid voor droog etsen. Dit maakt rutheniumoxide een goed materiaal voor elektroden in geheugenelementen en transistoren.

SEM-beelden van geëxfolieerde RuO2-nanoplaten na a) 1 minuut en b) 7 minuten sonicatie.
(onderzoek en afbeeldingen: ©Kim et al., 2021)

Casestudy: zeer efficiënte exfoliatie van RuO2 met een sonicator met sonde

Kim et al. (2021) toonden in hun onderzoek de aanzienlijke verbetering aan van de exfoliatie van nanoplaten bestaande uit één laag rutheniumoxide. De onderzoeker behaalde met sonicatie hoge opbrengsten aan dunne metaaloxideplaten van RuO2. Het conventionele intercalatieproces via ionenuitwisselingsreacties verloopt langzaam en produceert slechts beperkte hoeveelheden tweedimensionale (2D) nanoplaten vanwege de grootte van de moleculen en de chemische energie die voor de reactie nodig is. Om het proces te versnellen en de hoeveelheid geproduceerde nanoplaten van rutheniumoxide te vergroten, intensiveerden zij het exfoliatieproces door ultrasone energie toe te passen op de oplossing van RuO2-oxide. Zij stelden vast dat de hoeveelheid platen na slechts 15 minuten sonicatie met meer dan 50% toenam, terwijl tegelijkertijd de laterale afmetingen van de platen afnamen. Berekeningen op basis van de dichtheidsfunctionaaltheorie toonden aan dat de activeringsenergie van exfoliatie aanzienlijk wordt verlaagd door de RuO2-lagen op te splitsen in stukken met kleine laterale afmetingen. Deze verkleining vindt plaats doordat de sonicatie hielp om de metaaloxidelagen gemakkelijker uiteen te breken. Dit onderzoek onderstreept dat het gebruik van ultrageluid een goede en eenvoudige manier is om nanoplaten bestaande uit één laag rutheniumoxide te maken. Dit toont aan dat een door ultrageluid ondersteund ionenuitwisselingsproces een eenvoudige en efficiënte aanpak biedt voor de vervaardiging van 2D-nanoplaten van metaaloxide. De voordelen van ultrasone exfoliatie verklaren waarom ultrasone exfoliatie en delaminatie veel worden gebruikt als productietechniek voor 2D-nanomaterialen, ook bekend als xenen, waaronder grafeen en borofeen.

Ultrasone exfoliatie bevordert de zeer efficiënte en versnelde productie van 2D-nanoplaten van rutheniumoxide op grote schaal
(onderzoek en afbeeldingen: ©Kim et al., 2021).

Protocol voor door ultrageluid ondersteunde exfoliatie van rutheniumoxide

Het volgende protocol is een stapsgewijze instructie voor de synthese van RuO2-nanoplaten met behulp van een door ultrageluid ondersteund ionenuitwisselingsreactieproces, zoals beschreven door Kim et al. (2021).
 

1. Bereid een oplossing van RuO2 en een intercalatiemiddel door deze op te lossen in een oplosmiddel (2-propanol) en maximaal 3 dagen te roeren.
2. Pas gedurende 15 minuten ultrasone energie toe op de oplossing met een sonicator met sonde (bijv. de sonicator met sonde UP1000hdT (1000W, 20kHz) met sonotrode BS4d22) om de opbrengst aan RuO2-nanoplaten met meer dan 50% te verhogen en de RuO2-lagen op te splitsen in stukken met uniform kleine laterale afmetingen.
3. Gebruik berekeningen op basis van de dichtheidsfunctionaaltheorie om te bevestigen dat de activeringsenergie van exfoliatie aanzienlijk wordt verlaagd.
4. Verzamel de resulterende RuO2-nanoplaten, die voor diverse toepassingen kunnen worden gebruikt.

 
De eenvoud van dit protocol voor ultrasone exfoliatie van RuO2-nanoplaten onderstreept de voordelen van ultrasone productie van nanoplaten. Sonicatie is een zeer efficiënte techniek om hoogwaardige RuO2-nanoplaten bestaande uit één laag met een dikte van ongeveer 1 nm te produceren. Het protocol bleek ook schaalbaar en reproduceerbaar te zijn, waardoor het geschikt is voor de grootschalige productie van RuO2-nanoplaten voor diverse toepassingen in elektronica, katalyse en energieopslag.
 
Lees meer over de sonochemische synthese van SnOx-nanovlokken!
 

Een met hoge snelheid opgenomen reeks beelden (van a tot f) die de sonomechanische exfoliatie van een grafietvlok in water illustreert met behulp van de UP200S, een sonicator van 200W met een sonotrode van 3 mm. Pijlen geven de plaats van splitsing (exfoliatie) aan, waarbij cavitatiebellen de spleet binnendringen.
(onderzoek en afbeeldingen: © Tyurnina et al. 2020

Sonicatoren met hoge prestaties voor exfoliatie van RuO2

Voor de productie van hoogwaardige nanoplaten van rutheniumoxide en andere xenen is betrouwbare ultrasone apparatuur met hoge prestaties vereist. Amplitude, druk en temperatuur zijn essentiële parameters die cruciaal zijn voor reproduceerbaarheid en een consistent product. De processoren van Hielscher Ultrasonics zijn krachtige en nauwkeurig regelbare systemen waarmee procesparameters exact kunnen worden ingesteld en continu ultrageluid met hoog vermogen kan worden geleverd. Industriële sonicatoren van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
Onze klanten zijn tevreden over de uitzonderlijke robuustheid en betrouwbaarheid van de systemen van Hielscher Ultrasonics. Installatie voor toepassingen met zware belasting (bijv. grootschalige verwerking van nanomaterialen), veeleisende omgevingen en 24/7-bedrijf waarborgen een efficiënte en economische verwerking. Ultrasone procesintensivering verkort de verwerkingstijd en levert betere resultaten op, d.w.z. hogere kwaliteit, hogere opbrengsten en innovatieve producten.

Ontwerp, productie en advies – kwaliteit uit Duitsland

Sonicatoren van Hielscher staan bekend om hun hoogste kwaliteits- en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze sonicatoren in industriële installaties mogelijk. Sonicatoren van Hielscher kunnen zware omstandigheden en veeleisende omgevingen gemakkelijk aan.

Hielscher Ultrasonics is een ISO-gecertificeerd bedrijf en legt bijzondere nadruk op sonicatoren met hoge prestaties die de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid bieden. Uiteraard voldoen sonicatoren van Hielscher aan de CE-voorschriften en aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: