Nanofolhas de óxido de ruténio por esfoliação ultrassónica

As nanofolhas monocamada de óxido de ruténio podem ser produzidas de forma eficiente através de ultrassonicação com sonda. As principais vantagens da esfoliação ultrassónica de nanofolhas são a eficiência do processo, os elevados rendimentos, o tratamento de curta duração e a operação simples e segura. Devido à sua elevada eficiência e à qualidade superior das nanofolhas produzidas, a ultrassonicação é utilizada na produção industrial de numerosas nanofolhas, incluindo grafeno e borofeno.

Esfoliação ultrassónica de nanofolhas de óxido de ruténio

As nanofolhas de óxido de ruténio (RuO2, também conhecido como rutenato) apresentam propriedades únicas, como elevada condutividade, baixa resistividade, elevada estabilidade, elevada função de trabalho e boa suscetibilidade à gravação a seco. Isto torna o óxido de ruténio um bom material para elétrodos em dispositivos de memória e transístores.

Imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) de nanofolhas de RuO2 esfoliadas com a) 1 minuto e b) 7 minutos de ultrassonicação.
(estudo e imagens: ©Kim et al., 2021)

Estudo de caso: esfoliação de RuO2 altamente eficiente com um ultrassonicador de sonda

Kim et al. (2021) demonstraram no seu estudo a melhoria significativa da esfoliação de nanofolhas monocamada de óxido de ruténio. O investigador obteve elevados rendimentos de folhas finas do óxido metálico RuO2 através de ultrassonicação. O processo convencional de intercalação através de reações de troca iónica 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 acelerar o processo e aumentar a quantidade de nanofolhas de óxido de ruténio produzidas, intensificaram o processo de esfoliação aplicando energia ultrassónica à solução de óxido RuO2. Verificaram que, após apenas 15 minutos de ultrassonicação, a quantidade de folhas aumentou mais de 50% e, simultaneamente, a dimensão lateral das folhas diminuiu. Os cálculos de teoria do funcional da densidade demonstraram que a energia de ativação da esfoliação é significativamente reduzida ao dividir as camadas de RuO2 em fragmentos de pequena dimensão lateral. Esta redução de tamanho ocorre porque a sonicação ajudou a separar mais facilmente as camadas de óxido metálico. Esta investigação salienta que a utilização de ultrassons é uma forma boa e simples de produzir nanofolhas monocamada de óxido de ruténio. Isto demonstra que um processo de troca iónica assistido por ultrassons oferece uma abordagem simples e eficiente para fabricar nanofolhas 2D de óxidos metálicos. Os benefícios da esfoliação ultrassónica explicam por que razão a esfoliação e a delaminação ultrassónicas são amplamente utilizadas como técnica de produção de nanomateriais 2D, também conhecidos como xenos, incluindo grafeno e borofeno.

A esfoliação ultrassónica promove a produção altamente eficiente e acelerada de nanofolhas 2D de óxido de ruténio em grande escala
(estudo e imagens: ©Kim et al., 2021).

Protocolo de esfoliação de óxido de ruténio assistida por ultrassons

O protocolo seguinte apresenta instruções passo a passo para sintetizar nanofolhas de RuO2 através de um processo de reação de troca iónica assistido por ultrassons, conforme descrito por Kim et al. (2021).
 

1. Prepare uma solução de RuO2 e de um agente intercalante, dissolvendo-os num solvente (2-propanol) e agitando durante até 3 dias.
2. Aplique energia ultrassónica à solução com um ultrassonicador de sonda (por exemplo, o ultrassonicador de sonda UP1000hdT (1000W, 20kHz) com sonotrodo BS4d22) durante 15 minutos, para aumentar o rendimento de nanofolhas de RuO2 em mais de 50% e dividir as camadas de RuO2 em fragmentos com uma dimensão lateral uniformemente pequena.
3. Utilize cálculos de teoria do funcional da densidade para confirmar que a energia de ativação da esfoliação é significativamente reduzida.
4. Recolha as nanofolhas de RuO2 resultantes, que podem ser utilizadas em diversas aplicações.

 
A simplicidade deste protocolo de esfoliação ultrassónica de nanofolhas de RuO2 salienta os benefícios da produção ultrassónica de nanofolhas. A sonicação é uma técnica altamente eficiente para produzir nanofolhas monocamada de RuO2 de elevada qualidade, com uma espessura de aproximadamente 1 nm. Verificou-se também que o protocolo permite aumentar a escala e é reprodutível, tornando-o adequado para a produção em grande escala de nanofolhas de RuO2 para diversas aplicações em eletrónica, catálise e armazenamento de energia.
 
Saiba mais sobre a síntese sonoquímica de nanoflocos de SnOx!
 

Uma sequência de fotogramas de alta velocidade (de a a f) que ilustra a esfoliação sonomecânica de um floco de grafite em água utilizando o UP200S, um ultrassonicador de 200W com um sonotrodo de 3-mm. As setas mostram o local de separação (esfoliação), com bolhas de cavitação a penetrar na fenda.
(estudo e imagens: © Tyurnina et al. 2020

Ultrassonicadores de elevado desempenho para a esfoliação de RuO2

Para a produção de nanofolhas de óxido de ruténio e de outros xenos de elevada qualidade, é necessário equipamento ultrassónico fiável e de elevado desempenho. A amplitude, a pressão e a temperatura são parâmetros essenciais, cruciais para a reprodutibilidade e para a obtenção de um produto consistente. Os processadores da Hielscher Ultrasonics são sistemas potentes e controláveis com precisão, que permitem definir com exatidão os parâmetros do processo e fornecer continuamente ultrassons de elevada potência. Os ultrassonicadores industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas. É possível manter facilmente amplitudes de até 200µm de forma contínua em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. A robustez do equipamento ultrassónico Hielscher permite o funcionamento 24/7 em aplicações exigentes e em ambientes difíceis.
Os nossos clientes estão satisfeitos com a excecional robustez e fiabilidade dos sistemas Hielscher Ultrasonics. A instalação em áreas de aplicação exigentes (por exemplo, processamento de nanomateriais em grande escala), em ambientes difíceis e o funcionamento 24/7 asseguram um processamento eficiente e económico. A intensificação de processos por ultrassons reduz o tempo de processamento e permite obter melhores resultados, ou seja, maior qualidade, rendimentos mais elevados e produtos inovadores.

Conceção, fabrico e consultoria – Qualidade fabricada na Alemanha

Os ultrassonicadores Hielscher são reconhecidos pelos seus padrões de qualidade e conceção do mais alto nível. A robustez e a facilidade de utilização permitem integrar facilmente os nossos ultrassonicadores em instalações industriais. Os ultrassonicadores Hielscher lidam facilmente com condições adversas e ambientes exigentes.

A Hielscher Ultrasonics é uma empresa com certificação ISO e dá especial ênfase a ultrassonicadores de elevado desempenho com tecnologia de ponta e facilidade de utilização. Naturalmente, os ultrassonicadores Hielscher estão em conformidade com os requisitos CE e cumprem os requisitos UL, CSA e RoHs.

A tabela abaixo indica a capacidade aproximada de processamento dos nossos ultrassonicadores: