Monowarstwy tlenku rutenu mogą być wydajnie wytwarzane przy użyciu ultradźwięków typu sondowego. Głównymi zaletami ultradźwiękowej eksfoliacji są: wydajność procesu, wysoka wydajność, krótki czas obróbki oraz łatwa i bezpieczna obsługa. Ze względu na wysoką wydajność i doskonałą jakość wytwarzanych nanorurek, ultradźwięki są wykorzystywane do przemysłowej produkcji wielu nanorurek, w tym grafenu i boropenu.

Ultradźwiękowa eksfoliacja nanopłytek tlenku rutenu

Nanosfery 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 suche trawienie. Dzięki temu tlenek rutenu jest dobrym materiałem na elektrody w urządzeniach pamięciowych i tranzystorach.

Obrazy SEM złuszczonych nanopłytek RuO2 przy zastosowaniu a) 1 minutowego i b) 7 minutowego ultradźwięku.
(opracowanie i zdjęcia: ©Kim et al., 2021)

Studium przypadku: Wysoko wydajna eksfoliacja RuO2 przy użyciu ultradźwiękowca typu sonda

Kim i wsp. (2021) wykazali w swoich badaniach znaczną poprawę eksfoliacji monowarstwowych nanosieci tlenku rutenu. Badacz stworzył wysokie wydajności cienkich arkuszy tlenku metalu RuO2 przy użyciu ultradźwięków. Konwencjonalny proces interkalacji poprzez reakcje wymiany jonowej jest powolny i daje 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, zintensyfikowali proces eksfoliacji poprzez zastosowanie energii ultradźwiękowej do roztworu tlenku RuO2. Stwierdzili, że już po 15 minutach ultradźwięków ilość arkuszy wzrosła o ponad 50%, jednocześnie zmniejszył się ich rozmiar poprzeczny. Obliczenia funkcjonalnej teorii gęstości wykazały, że energia aktywacji eksfoliacji jest znacznie zmniejszona poprzez podział warstw RuO2 na małe rozmiary poprzeczne. 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 monowarstwowych nanosieci tlenku rutenu. Pokazuje to, że proces wymiany jonowej wspomagany ultradźwiękami oferuje łatwe i efektywne podejście do wytwarzania dwuwymiarowych arkuszy tlenku metalu. Zalety ultradźwiękowej eksfoliacji wyjaśniają, dlaczego ultradźwiękowa eksfoliacja i delaminacja jest szeroko stosowana jako technika produkcji nanomateriałów 2D, znanych również jako ksen, w tym grafenu i boropenu.

Eksfoliacja ultradźwiękowa sprzyja wysoce wydajnej i przyspieszonej produkcji 2D nanosieci tlenku rutenu w dużej skali
(opracowanie i zdjęcia: ©Kim et al., 2021).

Protokół złuszczania tlenku rutenu wspomaganego ultradźwiękami

Poniższy protokół jest instrukcją krok po kroku dla syntezy nanosiatek RuO2 przy użyciu ultradźwiękowo wspomaganego procesu reakcji wymiany jonowej, jak opisuje Kim et al. (2021).
 

1. Przygotować roztwór RuO2 i interkalantu, rozpuszczając je w rozpuszczalniku (2-propanol) i mieszając przez okres do 3 dni.
2. Stosować energię ultradźwiękową za pomocą ultradźwiękowca sondowego (np. ultradźwiękowiec sondowy UP1000hdT (1000W, 20kHz) z sonotrodą BS4d22) do roztworu przez 15 minut w celu zwiększenia wydajności nanosiatek RuO2 o ponad 50% i rozszczepienia warstw RuO2 na równomiernie małe boki.
3. Wykorzystaj obliczenia funkcjonalnej teorii gęstości, aby potwierdzić, że energia aktywacji eksfoliacji jest znacznie zmniejszona.
4. Zbierz powstałe nanosieci RuO2, które mogą być wykorzystane do różnych zastosowań.

 
Prostota tego protokołu ultradźwiękowej eksfoliacji nanosieci RuO2 podkreśla korzyści płynące z ultradźwiękowej produkcji nanosieci. Sonikacja jest wysoce wydajną techniką wytwarzania wysokiej jakości monowarstwowych nanosieci RuO2 o grubości około 1 nm. Protokół okazał się również skalowalny i powtarzalny, co czyni go odpowiednim do produkcji na dużą skalę nanorurek RuO2 do różnych zastosowań w elektronice, katalizie i magazynowaniu energii.

Szybka sekwencja (od a do f) klatek ilustrujących sono-mechaniczne złuszczanie płatka grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, ultradźwiękowca o mocy 200W z 3-mm sonotrodą. Strzałki pokazują miejsce rozszczepienia (eksfoliacji) z pęcherzykami kawitacyjnymi wnikającymi w rozszczepienie.
(opracowanie i zdjęcia: © Tyurnina i wsp. 2020

Wysokowydajne ultradźwiękowce do eksfoliacji RuO2

Do produkcji wysokiej jakości nano-szkieletów tlenku rutenu i innych ksenów wymagane są niezawodne, wysokowydajne urządzenia ultradźwiękowe. Amplituda, ciśnienie i temperatura są istotnymi parametrami, które mają decydujące znaczenie dla powtarzalności i spójnego produktu. Procesory Hielscher Ultrasonics to wydajne i precyzyjnie sterowane systemy, które pozwalają na dokładne ustawienie parametrów procesu i ciągłe wyjście ultradźwięków o dużej mocy. Ultradźwięki przemysłowe Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm mogą być bez problemu realizowane w trybie ciągłym 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do potrzeb klienta. Solidność urządzeń ultradźwiękowych firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach.
Nasi klienci są zadowoleni z wyjątkowej solidności i niezawodności systemów Hielscher Ultrasonics. Montaż w obszarach o dużym obciążeniu (np. obróbka nanomateriałów na dużą skalę), wymagające środowiska i praca 24/7 zapewniają wydajne i ekonomiczne przetwarzanie. Ultradźwiękowa intensyfikacja procesu skraca czas przetwarzania i pozwala osiągnąć lepsze rezultaty, tj. wyższą jakość, większą wydajność, innowacyjne produkty.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – Jakość Made in Germany

Ultradźwięki firmy Hielscher są znane z najwyższej jakości i standardów konstrukcyjnych. Solidność i łatwa obsługa pozwalają na płynną integrację naszych ultradźwięków z obiektami przemysłowymi. Surowe warunki i wymagające środowiska są łatwo obsługiwane przez ultradźwięki Hielscher.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na ultradźwięki o wysokiej wydajności, charakteryzujące się najnowocześniejszą technologią i łatwością obsługi. Oczywiście ultradźwięki Hielscher są zgodne z CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela daje wskazanie przybliżonej mocy przerobowych naszych ultrasonicators: