Nanosheets tlenku rutenu poprzez złuszczanie ultradźwiękowe
Jednowarstwowe nanosheets tlenku rutenu mogą być skutecznie wytwarzane przy użyciu ultradźwięków typu sondy. Głównymi zaletami ultradźwiękowej eksfoliacji nanosheetów są wydajność procesu, wysoka wydajność, krótka obróbka i łatwa, bezpieczna obsługa. Ze względu na wysoką wydajność i doskonałą jakość produkowanych nanosheetów, ultradźwięki są wykorzystywane do przemysłowej produkcji wielu nanosheetów, w tym grafenu i borofenu.
Ultradźwiękowe złuszczanie nanosheets tlenku rutenu
Nanocząstki tlenku rutenu (RuO2, znanego również jako rutenian) oferują unikalne właściwości, takie jak wysoka przewodność, niska rezystywność, wysoka stabilność, wysoka funkcja pracy i dobra podatność na trawienie na sucho. Sprawia to, że tlenek rutenu jest dobrym materiałem na elektrody w urządzeniach pamięci i tranzystorach.

Obrazy SEM złuszczonych nanosheetów RuO2 przy użyciu a) 1 minuty i b) 7 minut ultradźwięków.
(badanie i zdjęcia: ©Kim et al., 2021)
Studium przypadku: Wysoce wydajne złuszczanie RuO2 za pomocą ultradźwiękowca typu sonda
Kim et al. (2021) wykazali w swoich badaniach znaczną poprawę złuszczania monowarstwowych nanosieci tlenku rutenu. Badacz stworzył wysoką wydajność cienkich arkuszy tlenku metalu RuO2 za pomocą ultradźwięków. Konwencjonalny proces interkalacji poprzez reakcje wymiany jonowej jest powolny i wytwarza tylko ograniczone ilości dwuwymiarowych (2D) nanosieci ze względu na rozmiar cząsteczek i energię chemiczną wymaganą do reakcji. Aby przyspieszyć proces i zwiększyć ilość wytwarzanych nanosieci tlenku rutenu, zintensyfikowano proces eksfoliacji poprzez zastosowanie energii ultradźwiękowej do roztworu tlenku RuO2. Stwierdzili, że po zaledwie 15 minutach ultradźwięków ilość arkuszy wzrosła o ponad 50%, przy jednoczesnym zmniejszeniu rozmiaru bocznego arkuszy. Obliczenia teorii funkcjonalnej gęstości wykazały, że energia aktywacji eksfoliacji jest znacznie zmniejszona poprzez podział warstw RuO2 na małe rozmiary boczne. Ta redukcja rozmiaru ma miejsce, ponieważ sonikacja pomogła łatwiej rozdzielić warstwy tlenku metalu. Badania te podkreślają, że stosowanie ultradźwięków jest dobrym i łatwym sposobem wytwarzania jednowarstwowych nanosieci tlenku rutenu. Pokazuje to, że proces wymiany jonowej wspomagany ultradźwiękami oferuje łatwe i skuteczne podejście do wytwarzania dwuwymiarowych nanosieci tlenków metali. Zalety ultradźwiękowego złuszczania wyjaśniają, dlaczego ultradźwiękowe złuszczanie i rozwarstwianie jest szeroko stosowane jako technika produkcji nanomateriałów 2D, znanych również jako ksenony, w tym grafen i borofen.

Ultradźwiękowe złuszczanie nanosheets RuO2 mogą być wykonywane w skali laboratoryjnej, zbyt. Zdjęcie przedstawia ultradźwiękowy sondy UP400St podczas złuszczania nanoarkuszy w zlewce.
Protokół wspomaganego ultradźwiękami złuszczania tlenku rutenu
Poniższy protokół jest instrukcją krok po kroku do syntezy nanosheets RuO2 przy użyciu ultradźwiękowo wspieranego procesu reakcji wymiany jonowej, jak opisano przez Kim et al. (2021).
- Przygotować roztwór RuO2 i interkalantu, rozpuszczając je w rozpuszczalniku (2-propanol) i mieszając przez maksymalnie 3 dni.
- Zastosować energię ultradźwiękową za pomocą ultrasonografu z sondą (np. ultrasonografu z sondą UP1000hdT (1000 W, 20 kHz) z sonotrodą BS4d22) do roztworu przez 15 minut w celu zwiększenia wydajności nanosieci RuO2 o ponad 50% i podzielenia warstw RuO2 na równomiernie małe rozmiary boczne.
- Wykorzystanie obliczeń teorii funkcjonalnej gęstości w celu potwierdzenia znacznego zmniejszenia energii aktywacji eksfoliacji.
- Zbierz powstałe nanosheets RuO2, które mogą być wykorzystywane do różnych zastosowań.
Prostota tego protokołu ultradźwiękowej eksfoliacji nanosheetów RuO2 podkreśla korzyści płynące z ultradźwiękowej produkcji nanosheetów. Sonikacja jest wysoce wydajną techniką wytwarzania wysokiej jakości jednowarstwowych nanosheetów RuO2 o grubości około 1 nm. Protokół okazał się również skalowalny i powtarzalny, dzięki czemu nadaje się do produkcji nanosheets RuO2 na dużą skalę do różnych zastosowań w elektronice, katalizie i magazynowaniu energii.

Sekwencja klatek z dużą prędkością (od a do f) ilustrująca sonomechaniczne złuszczanie płatka grafitu w wodzie. przy użyciu UP200S, ultrasonografu o mocy 200 W z sonotrodą 3 mm. Strzałki pokazują miejsce rozszczepienia (złuszczania) z pęcherzykami kawitacyjnymi penetrującymi rozszczepienie.
(opracowanie i zdjęcia: © Tyurnina et al. 2020
Wysokowydajne ultradźwięki do złuszczania RuO2
Do produkcji wysokiej jakości nanocząstek tlenku rutenu i innych ksenów wymagany jest niezawodny, wysokowydajny sprzęt ultradźwiękowy. Amplituda, ciśnienie i temperatura istotne parametry, które są kluczowe dla powtarzalności i spójnego produktu. Procesory Hielscher Ultrasonics to wydajne i precyzyjnie sterowane systemy, które pozwalają na dokładne ustawienie parametrów procesu i ciągłą moc ultradźwięków o dużej mocy. Przemysłowe ultrasonografy Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach.
Nasi klienci są zadowoleni z wyjątkowej wytrzymałości i niezawodności systemów Hielscher Ultrasonics. Instalacja w obszarach ciężkich zastosowań (np. przetwarzanie nanomateriałów na dużą skalę), wymagających środowiskach i pracy 24/7 zapewnia wydajne i ekonomiczne przetwarzanie. Ultradźwiękowa intensyfikacja procesu skraca czas przetwarzania i osiąga lepsze wyniki, tj. wyższą jakość, wyższą wydajność, innowacyjne produkty.
Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany
Ultradźwięki Hielscher są dobrze znane z najwyższej jakości i standardów projektowych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwiękowców z obiektami przemysłowymi. Trudne warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.
Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na wysokowydajne ultradźwięki z najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
---|---|---|
0.5-1,5 mL | b.d. | VialTweeter | 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
15 do 150 l | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura / Referencje
- Kim, Se Yun; Kim, Sang-il; Kim, Mun Kyoung; Kim, Jinhong; Mizusaki, Soichiro; Ko, Dong-Su; Jung, Changhoon; Yun, Dong-Jin; Roh, Jong Wook; Kim, Hyun-Sik; Sohn, Hiesang; Lim, Jong-Hyeong; Oh, Jong-Min; Jeong, Hyung Mo; Shin, Weon Ho, (2021): Ultrasonic Assisted Exfoliation for Efficient Production of RuO2 Monolayer Nanosheets. Inorganic Chemistry Frontiers 2021.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.

Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do rozmiar przemysłowy.