Rutheniumoxide nanosheets via ultrasone afschilfering

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

Ultrasone afschilfering van Rutheniumoxide nanosheets

Rutheniumoxide (RuO2, ook bekend als ruthenaat) nanosheets bieden unieke eigenschappen zoals hoge geleidbaarheid, lage weerstand, hoge stabiliteit, hoge werkfunctie en goede gevoeligheid voor droog etsen. Dit maakt rutheniumoxide een goed materiaal voor elektrodes in geheugenapparaten en transistors.

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

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

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 metaaloxideplaatjes met behulp van ultrasone trillingen. Het conventionele intercalatieproces door middel van ionenuitwisselingsreacties is langzaam en produceert slechts beperkte hoeveelheden tweedimensionale (2D) nanosheets vanwege de grootte van de moleculen en de chemische energie die nodig is voor de reactie. Om het proces sneller te maken en de hoeveelheid geproduceerde nanosheets van rutheniumoxide te vergroten, intensiveerden ze het exfoliatieproces door ultrasone energie toe te passen op de oplossing van RuO2 oxide. Ze ontdekten dat na slechts 15 minuten ultrasoonbehandeling de hoeveelheid vellen met meer dan 50% toenam, terwijl tegelijkertijd de zijdelingse grootte van de vellen afnam. Dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen toonden aan dat de activeringsenergie van exfoliatie aanzienlijk wordt verminderd door de RuO2-lagen op te splitsen in een kleine laterale grootte. Deze vermindering in grootte komt doordat de sonicatie hielp om de metaaloxidelagen gemakkelijker uit elkaar te halen. Dit onderzoek onderstreept dat het gebruik van ultrasoon geluid een goede en gemakkelijke manier is om rutheniumoxide monolaag nanosheets te maken. Hieruit blijkt dat een ultrasoon ondersteund ionenuitwisselingsproces een gemakkelijke en efficiënte aanpak biedt voor het maken van 2D metaaloxidenanosheets. De voordelen van ultarsone exfoliatie verklaren waarom ultrasone exfoliatie en delaminatie veel gebruikt wordt als productietechniek voor 2D nanomaterialen, ook bekend als xenenen, 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 ultrasoon ondersteund ionenuitwisselingsreactieproces zoals beschreven door Kim et al. (2021).
 

1. Bereid een oplossing van RuO2 en een intercalant door ze op te lossen in oplosmiddel (2-propanol) en maximaal 3 dagen te roeren.
2. Pas ultrasone energie toe met behulp van een sonde-type ultrasoonapparaat (bijv. sonde-type ultrasoonapparaat UP1000hdT (1000W, 20kHz) met sonotrode BS4d22) op de oplossing gedurende 15 minuten om de opbrengst van RuO2 nanosheets te verhogen met meer dan 50% en om de RuO2 lagen te splitsen in een uniform kleine laterale grootte.
3. Gebruik dichtheidsfunctionaaltheorieberekeningen om te bevestigen dat de activeringsenergie van exfoliatie aanzienlijk verlaagd is.
4. Verzamel de resulterende RuO2 nanosheets, die voor verschillende 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 te zijn, waardoor het geschikt is voor grootschalige productie van RuO2-nanosheets voor verschillende toepassingen in elektronica, katalyse en energieopslag.

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

Ultrasoneatoren met hoge prestaties voor RuO2-exfoliatie

Voor de productie van hoogwaardige rutheniumoxide nanosheets en andere xenes is betrouwbare ultrasone apparatuur met hoge prestaties nodig. Amplitude, druk en temperatuur zijn essentiële parameters, die cruciaal zijn voor reproduceerbaarheid en een consistent product. Hielscher ultrasoonprocessoren zijn krachtige en nauwkeurig regelbare systemen, die de exacte instelling van procesparameters en een continue ultrageluidsoutput 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 verkrijgbaar. De robuustheid van Hielscher ultrasoonapparatuur maakt 24/7 gebruik mogelijk bij zware belasting en in veeleisende omgevingen.
Onze klanten zijn tevreden over de uitstekende robuustheid en betrouwbaarheid van de Hielscher ultrasone 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 Made in Germany

Hielscher ultrasone machines staan bekend om hun hoge kwaliteit en ontwerpnormen. Robuustheid en eenvoudige bediening zorgen voor een soepele integratie van onze ultrasoonapparatuur in industriële faciliteiten. Ruwe omstandigheden en veeleisende omgevingen worden gemakkelijk door Hielscher ultrasoontoestellen aangepakt.

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

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: