Nanofolhas de monocamada de óxido de rutênio podem ser produzidas eficientemente usando ultrassom do tipo sonda. As principais vantagens da esfoliação de nanofolhas ultra-sônicas são a eficiência do processo, altos rendimentos, tratamento curto e operação fácil e segura. Devido à sua alta eficiência e qualidade superior das nanofolhas produzidas, a ultrasonicação é usada para a produção industrial de numerosas nanofolhas, incluindo grafeno e borofeno.

Esfoliação ultra-sônica de nanofolhas de óxido de rutênio

As nanofolhas de óxido de rutênio (RuO2, também conhecido como ruteno) oferecem propriedades únicas, como alta condutividade, baixa resistividade, alta estabilidade, alta função de trabalho e boa suscetibilidade ao ataque a seco. Isso faz do óxido de rutênio um bom material para eletrodos em dispositivos de memória e transistores.

Imagens de MEV de nanofolhas de RuO2 esfoliadas usando a) 1 minuto e b) 7 minutos de ultrassom.
(estudo e fotos: ©Kim et al., 2021)

Estudo de caso: Esfoliação RuO2 altamente eficiente usando um ultrasonicator tipo sonda

(2021) mostraram em seu estudo a melhora significativa na esfoliação de nanofolhas de monocamada de óxido de rutênio. O pesquisador criou altos rendimentos de folhas finas de óxido de RuO2 usando ultrasonicação. O processo de intercalação convencional através de reações de troca iônica é lento e produz apenas quantidades limitadas de nanofolhas bidimensionais (2D) devido ao tamanho das moléculas e à energia química necessária para a reação. Para tornar o processo mais rápido e aumentar a quantidade de nanofolhas de óxido de rutênio produzidas, eles intensificaram o processo de esfoliação aplicando energia de ultrassom à solução de óxido de RuO2. Eles descobriram que, após apenas 15 minutos de ultrassom, a quantidade de folhas aumentou em mais de 50%, simultaneamente o tamanho lateral das folhas diminuiu. Cálculos da teoria do funcional da densidade demonstraram que a energia de ativação da esfoliação é significativamente reduzida pela divisão das camadas de RuO2 em um pequeno tamanho lateral. Essa redução de tamanho acontece porque a sonicação ajudou a quebrar as camadas de óxido metálico com mais facilidade. Esta pesquisa ressalta que o uso de ultrassom é uma maneira boa e fácil de fazer nanocamadas de óxido de rutênio. Isso mostra que um processo de troca iônica suportado por ultrassom oferece uma abordagem fácil e eficiente para a fabricação de nanofolhas de óxido metálico 2D. Os benefícios da esfoliação ultarsônica explicam por que a esfoliação ultra-sônica e a delaminação são amplamente utilizadas como técnica de produção de nanomateriais 2D, também conhecidos como xenes, incluindo grafeno e borofeno.

A esfoliação ultra-sônica promove a produção altamente eficiente e acelerada de nanofolhas 2D de óxido de rutênio em larga escala
(estudo e fotos: ©Kim et al., 2021).

Protocolo para Esfoliação de Óxido de Rutênio Ultrassonicamente Assistida

O protocolo a seguir é uma instrução passo a passo para sintetizar nanofolhas de RuO2 usando o processo de reação de troca iônica suportado ultrassonicamente, conforme descrito por Kim et al (2021).
 

1. Preparar uma solução de RuO2 e um intercalante dissolvendo em solvente (2-propanol) e agitando por até 3 dias.
2. Aplique energia de ultrassom usando um ultrasonicator do tipo sonda (por exemplo, ultrasonicator tipo sonda UP1000hdT (1000W, 20kHz) com sonotrodo BS4d22) na solução por 15 minutos, a fim de aumentar o rendimento das nanofolhas de RuO2 em mais de 50% e dividir as camadas de RuO2 em um tamanho lateral uniformemente pequeno.
3. Use cálculos da teoria do funcional da densidade para confirmar que a energia de ativação da esfoliação é significativamente reduzida.
4. Coletar as nanofolhas de RuO2 resultantes, que podem ser usadas para várias aplicações.

 
A simplicidade deste protocolo para esfoliação ultra-sônica de nanofolhas de RuO2 sublinha os benefícios da produção de nanofolhas ultra-sônicas. A sonicação é uma técnica altamente eficiente para produzir nanofolhas de RuO2 monocamada de alta qualidade com uma espessura de aproximadamente 1 nm. O protocolo também foi encontrado para ser escalável e reprodutível, tornando-o adequado para a produção em larga escala de nanofolhas de RuO2 para várias aplicações em eletrônica, catálise e armazenamento de energia.

Uma sequência de alta velocidade (de a a f) de quadros ilustrando a esfoliação sono-mecânica de um floco de grafite na água usando o UP200S, um ultrasonicator de 200W com sonotrodo de 3 mm. As setas mostram o local da divisão (esfoliação) com bolhas de cavitação penetrando na divisão.
(estudo e fotos: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicators de alto desempenho para esfoliação RuO2

Para a produção de nanofolhas de óxido de rutênio de alta qualidade e outros xenes, é necessário um equipamento ultrassônico confiável de alto desempenho. Parâmetros essenciais de amplitude, pressão e temperatura, que são cruciais para a reprodutibilidade e consistência do produto. Os processadores Hielscher Ultrasonics são sistemas poderosos e precisamente controláveis, que permitem a configuração exata dos parâmetros do processo e a saída contínua de ultrassom de alta potência. Os ultrasonicators industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodos ultrassônicos personalizados estão disponíveis. A robustez do equipamento ultrassônico Hielscher permite a operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em serviços pesados e em ambientes exigentes.
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Design, Fabricação e Consultoria – Qualidade Made in Germany

Os ultrasonicators Hielscher são bem conhecidos por seus mais altos padrões de qualidade e design. A robustez e a fácil operação permitem a integração suave de nossos ultrasonicators em instalações industriais. Condições adversas e ambientes exigentes são facilmente manuseados por ultrassonicators Hielscher.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa certificada ISO e coloca ênfase especial em ultrasonicators de alto desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de uso. Naturalmente, os ultrasonicators Hielscher são compatíveis com CE e atendem aos requisitos da UL, CSA e RoHs.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators: