Rutheniumoxide monolaag nanosheets kunnen efficiënt worden geproduceerd met behulp van sonde-type ultrasone trillingen. Belangrijke voordelen van ultrasone nanosheet exfoliatie zijn procesefficiëntie, hoge opbrengsten, korte behandeling en gemakkelijke, veilige werking. Vanwege het hoge rendement en de superieure kwaliteit van de geproduceerde nanosheets wordt ultrasoonbehandeling gebruikt voor de industriële productie van talrijke nanosheets, waaronder grafeen en borofeen.

Ultrasone afschilfering van Ruthenium Oxide Nanosheets

Rutheniumoxide (RuO2, ook bekend als ruthenaat) nanosheets hebben unieke eigenschappen zoals een hoog geleidingsvermogen, een lage weerstand, een hoge stabiliteit, een hoge werkfunctie en een goede gevoeligheid voor droog etsen. Dit maakt rutheniumoxide tot een goed materiaal voor elektroden in geheugenapparaten en transistoren.

SEM-beelden van geëxfolieerde RuO2-nanosheets bij a) 1 minuut en b) 7 minuten ultrasoonbehandeling.
(studie en foto's: ©Kim et al., 2021)

Praktijkstudie: Zeer efficiënte RuO2-exfoliatie met behulp van een sonde-ultrageluidsapparaat

Kim et al. (2021) toonden in hun studie de significante verbetering in exfoliatie van rutheniumoxide monolaag nanosheets. De onderzoeker creëerde hoge opbrengsten van dunne RuO2 metaaloxidevellen met behulp van ultrasone trillingen. Het conventionele intercalatieproces via ionenuitwisselingsreacties is langzaam en levert slechts beperkte hoeveelheden tweedimensionale (2D) nanosheets op vanwege de grootte van de moleculen en de chemische energie die voor de reactie nodig is. Om het proces sneller te maken en de hoeveelheid geproduceerde nanosheets van rutheniumoxide te vergroten, intensiveerden zij het exfoliatieproces door ultrasone energie toe te passen op de oplossing van RuO2-oxide. Zij stelden vast dat na slechts 15 minuten ultrasone trillingen de hoeveelheid vellen met meer dan 50% toenam, terwijl tegelijkertijd de zijdelingse grootte van de vellen afnam. Density functional theory-berekeningen toonden aan dat de activeringsenergie van exfoliatie aanzienlijk wordt verminderd door de RuO2-lagen op te splitsen in een kleine laterale omvang. Deze vermindering van de grootte komt doordat de sonicatie hielp om de metaaloxidelagen gemakkelijker uit elkaar te halen. Dit onderzoek onderstreept dat het gebruik van ultrageluid een goede en gemakkelijke manier is om monolaag nanosheets van rutheniumoxide te maken. Hieruit blijkt dat een ultrasoon ondersteund ionenuitwisselingsproces een gemakkelijke en efficiënte aanpak biedt voor de fabricage van 2D metaaloxidenanosheets. De voordelen van ultarsone exfoliatie verklaren waarom ultrasone exfoliatie en delaminatie op grote schaal wordt gebruikt als productietechniek voor 2D nanomaterialen, ook bekend als xenes, waaronder grafeen en borofeen.

Ultrasone exfoliatie bevordert de zeer efficiënte en versnelde productie van rutheniumoxide 2D nanosheets op grote schaal
(studie en foto's: ©Kim et al., 2021).

Protocol voor ultrasonisch ondersteunde Rutheniumoxide-exfoliatie

Het volgende protocol is een stapsgewijze instructie voor het synthetiseren van RuO2 nanosheets met behulp van een ultrasoon ondersteund ionenuitwisselingsreactieproces zoals beschreven door Kim et al. (2021).
 

1. Bereid een oplossing van RuO2 en een intercalant door deze op te lossen in oplosmiddel (2-propanol) en maximaal 3 dagen te roeren.
2. Pas gedurende 15 minuten ultrasone energie toe met een ultrasoonapparaat van het probe-type (bv. ultrasoonapparaat van het probe-type UP1000hdT (1000 W, 20 kHz) met sonotrode BS4d22) op de oplossing om de opbrengst van RuO2-nanosheets met meer dan 50% te verhogen en de RuO2-lagen op te splitsen in een uniforme kleine laterale grootte.
3. Gebruik density functional theory-berekeningen om te bevestigen dat de activeringsenergie van exfoliatie aanzienlijk verminderd is.
4. Verzamel de resulterende RuO2 nanosheets, die voor diverse toepassingen kunnen worden gebruikt.

 
De eenvoud van dit protocol voor ultrasone exfoliatie van RuO2-nanosheets onderstreept de voordelen van ultrasone nanosheetproductie. Sonificatie is een zeer efficiënte techniek om hoogwaardige monolaag RuO2-nanosheets met een dikte van ongeveer 1 nm te produceren. Het protocol bleek ook schaalbaar en reproduceerbaar, waardoor het geschikt is voor grootschalige productie van RuO2-nanosheets voor verschillende toepassingen in de elektronica, katalyse en energieopslag.

Een snelle reeks beelden (van a tot f) die de sonomexfoliatie van een grafietschilfer in water illustreert. met behulp van de UP200S, een ultrasoonapparaat van 200 W met een sonotrode van 3 mm. Pijlen tonen de plaats van splitsing (exfoliatie) met cavitatiebelletjes die de splitsing binnendringen.
(Studie en foto's: © Tyurnina et al. 2020

Hoogwaardige ultrasone apparaten voor RuO2-exfoliatie

Voor de productie van hoogwaardige rutheniumoxide nano-sheets en andere xenes is betrouwbare hoogwaardige ultrasone apparatuur nodig. Amplitude, druk en temperatuur zijn essentiële parameters, die cruciaal zijn voor de reproduceerbaarheid en een consistent product. Hielscher Ultrasonics processors zijn krachtige en nauwkeurig regelbare systemen, die de exacte instelling van procesparameters en een continue ultrasone output met hoog vermogen mogelijk maken. Hielscher industriële ultrasone apparaten kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. De robuustheid van Hielscher ultrasoonapparatuur maakt een 24/7 werking bij zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk.
Onze klanten zijn tevreden over de uitstekende robuustheid en betrouwbaarheid van Hielscher Ultrasonics systemen. De installatie in gebieden met zware toepassingen (bijv. grootschalige verwerking van nanomaterialen), veeleisende omgevingen en 24/7 werking zorgen voor een efficiënte en economische verwerking. Ultrasone procesintensivering verkort de verwerkingstijd en zorgt voor betere resultaten, d.w.z. hogere kwaliteit, hogere opbrengsten, innovatieve producten.

Ontwerp, productie en advies – Kwaliteit gemaakt in Duitsland

Hielscher ultrasoonapparaten staan bekend om hun hoogste kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening maken een soepele integratie van onze ultrasoonapparaten in industriële installaties mogelijk. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

Hielscher Ultrasonics is een ISO gecertificeerd bedrijf en legt speciale nadruk op hoogwaardige ultrasoontoestellen met de modernste technologie en gebruiksvriendelijkheid. Uiteraard zijn Hielscher ultrasone apparaten CE-conform en voldoen ze aan de eisen van UL, CSA en RoHs.

Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators: