Nanoarkusze tlenku rutenu otrzymywane metodą eksfoliacji ultradźwiękowej

Jednowarstwowe nanoarkusze tlenku rutenu można wydajnie wytwarzać za pomocą sonikacji z użyciem sondy. Główne zalety ultradźwiękowej eksfoliacji nanoarkuszy to wydajność procesu, wysoki uzysk, krótki czas obróbki oraz łatwa i bezpieczna obsługa. Ze względu na wysoką wydajność i doskonałą jakość wytwarzanych nanoarkuszy sonikację stosuje się w przemysłowej produkcji licznych nanoarkuszy, w tym grafenu i borofenu.

Ultradźwiękowa eksfoliacja nanoarkuszy tlenku rutenu

Nanoarkusze tlenku rutenu (RuO2, znanego również jako rutenian) wykazują wyjątkowe właściwości, takie jak wysoka przewodność, niska rezystywność, wysoka stabilność, wysoka praca wyjścia i dobra podatność na trawienie na sucho. Dzięki temu tlenek rutenu jest dobrym materiałem na elektrody w urządzeniach pamięciowych i tranzystorach.

Obrazy SEM nanoarkuszy RuO2 poddanych eksfoliacji przy użyciu sonikacji trwającej a) 1 minutę i b) 7 minut.
(badanie i zdjęcia: ©Kim et al., 2021)

Studium przypadku: wysoce wydajna eksfoliacja RuO2 przy użyciu sonikatora z sondą

Kim et al. (2021) wykazali w swoim badaniu znaczną poprawę eksfoliacji jednowarstwowych nanoarkuszy tlenku rutenu. Badacz uzyskał wysoki uzysk cienkich arkuszy tlenku metalu RuO2 przy użyciu sonikacji. Konwencjonalny proces interkalacji poprzez reakcje wymiany jonowej jest powolny i wytwarza jedynie ograniczone ilości dwuwymiarowych (2D) nanoarkuszy ze względu na rozmiar cząsteczek i energię chemiczną wymaganą do reakcji. Aby przyspieszyć proces i zwiększyć ilość wytwarzanych nanoarkuszy tlenku rutenu, zintensyfikowali proces eksfoliacji, dostarczając energię ultradźwiękową do roztworu tlenku RuO2. Stwierdzili, że już po 15 minutach sonikacji ilość arkuszy wzrosła o ponad 50%, a jednocześnie zmniejszyły się ich wymiary boczne. Obliczenia oparte na teorii funkcjonału gęstości wykazały, że energia aktywacji eksfoliacji ulega znacznemu obniżeniu dzięki rozdzieleniu warstw RuO2 na fragmenty o małych wymiarach bocznych. To zmniejszenie rozmiaru następuje, ponieważ sonikacja ułatwiła rozdzielanie warstw tlenku metalu. Badanie to podkreśla, że zastosowanie ultradźwięków jest dobrym i łatwym sposobem wytwarzania jednowarstwowych nanoarkuszy tlenku rutenu. Pokazuje to, że wspomagany ultradźwiękami proces wymiany jonowej stanowi łatwą i wydajną metodę wytwarzania nanoarkuszy tlenków metali 2D. Zalety eksfoliacji ultradźwiękowej wyjaśniają, dlaczego eksfoliacja i delaminacja ultradźwiękowa są szeroko stosowane jako technika produkcji nanomateriałów 2D, znanych również jako kseny, w tym grafenu i borofenu.

Eksfoliacja ultradźwiękowa sprzyja wysoce wydajnej i przyspieszonej produkcji nanoarkuszy tlenku rutenu 2D na dużą skalę
(badanie i zdjęcia: ©Kim et al., 2021).

Protokół eksfoliacji tlenku rutenu wspomaganej ultradźwiękami

Poniższy protokół zawiera instrukcję krok po kroku dotyczącą syntezy nanoarkuszy RuO2 przy użyciu wspomaganego ultradźwiękami procesu reakcji wymiany jonowej, opisanego przez Kim et al. (2021).
 

1. Przygotuj roztwór RuO2 i interkalantu, rozpuszczając je w rozpuszczalniku (2-propanolu) i mieszając przez maksymalnie 3 dni.
2. Dostarczaj do roztworu energię ultradźwiękową za pomocą sonikatora z sondą (np. sonikatora z sondą UP1000hdT (1000W, 20kHz) z sonotrodą BS4d22) przez 15 minut, aby zwiększyć uzysk nanoarkuszy RuO2 o ponad 50% i rozdzielić warstwy RuO2 na fragmenty o jednakowo małych wymiarach bocznych.
3. Wykorzystaj obliczenia oparte na teorii funkcjonału gęstości, aby potwierdzić, że energia aktywacji eksfoliacji ulega znacznemu obniżeniu.
4. Zbierz otrzymane nanoarkusze RuO2, które można wykorzystać w różnych zastosowaniach.

 
Prostota tego protokołu ultradźwiękowej eksfoliacji nanoarkuszy RuO2 podkreśla zalety ultradźwiękowej produkcji nanoarkuszy. Sonikacja jest wysoce wydajną techniką wytwarzania wysokiej jakości jednowarstwowych nanoarkuszy RuO2 o grubości około 1 nm. Stwierdzono również, że protokół jest skalowalny i powtarzalny, dzięki czemu nadaje się do produkcji nanoarkuszy RuO2 na dużą skalę do różnych zastosowań w elektronice, katalizie i magazynowaniu energii.
 
Przeczytaj więcej o sonochemicznej syntezie nanopłatków SnOx!
 

Sekwencja klatek zarejestrowanych z dużą szybkością (od a do f), ilustrująca sonomechaniczną eksfoliację płatka grafitu w wodzie przy użyciu UP200S, sonikatora o mocy 200W z sonotrodą 3-mm. Strzałki wskazują miejsce rozdzielenia (eksfoliacji), w które wnikają pęcherzyki kawitacyjne.
(badanie i zdjęcia: © Tyurnina et al. 2020

Sonikatory o wysokiej wydajności do eksfoliacji RuO2

Do produkcji wysokiej jakości nanoarkuszy tlenku rutenu i innych ksenów wymagane są niezawodne urządzenia ultradźwiękowe o wysokiej wydajności. Amplituda, ciśnienie i temperatura to podstawowe parametry, które mają kluczowe znaczenie dla powtarzalności i uzyskiwania produktu o stałych właściwościach. Procesory Hielscher Ultrasonics to wydajne systemy umożliwiające precyzyjne sterowanie, które pozwalają na dokładne ustawienie parametrów procesu i ciągłe dostarczanie ultradźwięków dużej mocy. Przemysłowe sonikatory Hielscher mogą osiągać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać w ciągłej pracy 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe wykonywane na zamówienie. Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach.
Nasi klienci są zadowoleni z wyjątkowej wytrzymałości i niezawodności systemów Hielscher Ultrasonics. Instalacja w obszarach zastosowań o dużym obciążeniu (np. przetwarzanie nanomateriałów na dużą skalę), w wymagających środowiskach oraz praca 24/7 zapewniają wydajne i ekonomiczne przetwarzanie. Ultradźwiękowa intensyfikacja procesu skraca czas przetwarzania i pozwala uzyskać lepsze rezultaty, tj. wyższą jakość, wyższy uzysk i innowacyjne produkty.

Projektowanie, produkcja i doradztwo – jakość wyprodukowana w Niemczech

Sonikatory Hielscher są znane z najwyższych standardów jakości i projektowania. Wytrzymałość i łatwa obsługa umożliwiają sprawną integrację naszych sonikatorów z instalacjami przemysłowymi. Sonikatory Hielscher z łatwością radzą sobie z trudnymi warunkami i wymagającymi środowiskami.

Hielscher Ultrasonics jest firmą posiadającą certyfikat ISO i kładzie szczególny nacisk na sonikatory o wysokiej wydajności, wyposażone w najnowocześniejszą technologię i przyjazne dla użytkownika. Oczywiście sonikatory Hielscher są zgodne z wymaganiami CE i spełniają wymagania UL, CSA i RoHs.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: