Nanosheets de oxid de ruteniu prin exfoliere cu ultrasunete

Nanofoliile monostrat de oxid de ruteniu pot fi produse eficient folosind ultrasonication de tip sondă. Avantajele majore ale exfolierii cu ultrasunete nanosheet sunt eficiența procesului, randamentele ridicate, tratamentul scurt și funcționarea facilă și sigură. Datorită eficienței sale ridicate și a calității superioare a nanofoilor produse, ultrasonication este utilizat pentru producția industrială a numeroase nanofoile, inclusiv grafen și borofen.

Exfolierea cu ultrasunete a nanofoilor de oxid de ruteniu

Nanofoile de oxid de ruteniu (RuO2, cunoscut și sub denumirea de rutenat) oferă proprietăți unice, cum ar fi conductivitate ridicată, rezistivitate scăzută, stabilitate ridicată, funcție de lucru ridicată și susceptibilitate bună la gravarea uscată. Acest lucru face ca oxidul de ruteniu să fie un material bun pentru electrozii din dispozitivele de memorie și tranzistoare.

Imagini SEM ale nanofoilor RuO2 exfoliate folosind a) 1 minut și b) 7 minute de ultrasonication.
(studiu și imagini: ©Kim et al., 2021)

Studiu de caz: Exfoliere RuO2 extrem de eficientă folosind un ultrasonicator de tip sondă

Kim et al. (2021) au arătat în studiul lor îmbunătățirea semnificativă a exfolierii nanofoliilor monostrat de oxid de ruteniu. Cercetătorul a creat randamente ridicate de foi subțiri de oxid metalic RuO2 folosind ultrasonication. Procesul convențional de intercalare prin reacții schimbătoare de ioni este lent și produce doar cantități limitate de nanofoi bidimensionale (2D) datorită dimensiunii moleculelor și energiei chimice necesare reacției. Pentru a face procesul mai rapid și pentru a crește cantitatea de nano-foi de oxid de ruteniu produse, au intensificat procesul de exfoliere prin aplicarea energiei cu ultrasunete la soluția de oxid de RuO2. Ei au descoperit că, după doar 15 minute de ultrasonication, cantitatea de foi a crescut cu peste 50%, simultan dimensiunea laterală a foilor a scăzut. Calculele teoriei funcționale a densității au demonstrat că energia de activare a exfolierii este redusă semnificativ prin divizarea straturilor RuO2 într-o dimensiune laterală mică. Această reducere a dimensiunii se întâmplă deoarece sonicare a ajutat pentru a rupe straturile de oxid metalic mai ușor. Această cercetare subliniază faptul că utilizarea ultrasunetelor este o modalitate bună și ușoară de a face nanostraturi monostrat de oxid de ruteniu. Acest lucru arată că un proces de schimb de ioni susținut cu ultrasunete oferă o abordare facilă și eficientă pentru fabricarea nanofoilor de oxid metalic 2D. Avantajele exfolierii ultarsonice explică de ce exfolierea cu ultrasunete și delaminarea sunt utilizate pe scară largă ca tehnică de producție pentru nanomaterialele 2D, cunoscute și sub numele de xene, inclusiv grafen și borofen.

Exfolierea cu ultrasunete promovează producția extrem de eficientă și accelerată de nanofoi 2D de oxid de ruteniu la scară largă
(studiu și imagini: ©Kim și colab., 2021).

Protocol pentru exfolierea cu oxid de ruteniu asistată ultrasonically

Următorul protocol este o instrucțiune pas cu pas pentru sintetizarea nanofoilor RuO2 folosind procesul de reacție de schimb de ioni susținut ultrasonically, așa cum este descris de Kim et al. (2021).
 

1. Se prepară o soluție de RuO2 și un intercalant dizolvându-le în solvent (2-propanol) și amestecând timp de până la 3 zile.
2. Aplicați energie cu ultrasunete folosind un ultrasonicator de tip sondă (de exemplu, ultrasonicator de tip sondă UP1000hdT (1000W, 20kHz) cu sonotrode BS4d22) la soluție timp de 15 minute pentru a crește randamentul nanofoilor RuO2 cu peste 50% și pentru a împărți straturile RuO2 într-o dimensiune laterală uniform mică.
3. Utilizați calculele teoriei funcționale a densității pentru a confirma că energia de activare a exfolierii este redusă semnificativ.
4. Colectați nanofoile RuO2 rezultate, care pot fi utilizate pentru diverse aplicații.

 
Simplitatea acestui protocol pentru exfolierea cu ultrasunete a nanofoilor RuO2 subliniază beneficiile producției de nanofoi cu ultrasunete. Sonicare este o tehnică extrem de eficientă pentru a produce nanofoi RuO2 monostrat de înaltă calitate, cu o grosime de aproximativ 1 nm. Protocolul s-a dovedit, de asemenea, scalabil și reproductibil, făcându-l potrivit pentru producția pe scară largă de nanofoi RuO2 pentru diverse aplicații în electronică, cataliză și stocarea energiei.

O secvență de mare viteză (de la a la f) de cadre ilustrând exfolierea sono-mecanică a unui fulg de grafit în apă folosind UP200S, un ultrasonicator de 200W cu sonotrodă de 3 mm. Săgețile arată locul de despicare (exfoliere) cu bule de cavitație care penetrează despicarea.
(studiu și imagini: © Tyurnina et al. 2020

Ultrasonicators de înaltă performanță pentru RuO2 exfoliere

Pentru producerea de nano-foi de oxid de ruteniu de înaltă calitate și alte xene, este necesar un echipament cu ultrasunete fiabil de înaltă performanță. Amplitudine, presiune și temperatură parametri esențiali, care sunt esențiali pentru reproductibilitate și produs consistent. Hielscher Ultrasonics procesoare sunt sisteme puternice și precis controlabile, care permit setarea exactă a parametrilor procesului și ieșire continuă cu ultrasunete de mare putere. Hielscher ultrasonicators industriale pot livra amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Robustețea echipamentului cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 la grele și în medii solicitante.
Clienții noștri sunt mulțumiți de robustețea remarcabilă și fiabilitatea sistemelor Hielscher Ultrasonics. Instalarea în domenii cu aplicații grele (de exemplu, prelucrarea nanomaterialelor la scară largă), medii solicitante și funcționare 24/7 asigură o prelucrare eficientă și economică. Intensificarea procesului cu ultrasunete reduce timpul de procesare și obține rezultate mai bune, adică o calitate superioară, randamente mai mari, produse inovatoare.

Proiectare, fabricație și consultanță – Calitate Made in Germany

Hielscher ultrasonicators sunt bine-cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și funcționarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicators noastre în instalații industriale. Condiții dure și medii solicitante sunt ușor de manipulat de ultrasonicators Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicators de înaltă performanță cu tehnologie de ultimă oră și ușurință în utilizare. Desigur, ultrasonicators Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: