Nanofoi de oxid de ruteniu prin exfoliere cu ultrasunete

Nanofoile monostrat de oxid de ruteniu pot fi produse eficient prin ultrasonicare cu sondă. Principalele avantaje ale exfolierii nanofoilor cu ultrasunete sunt eficiența procesului, randamentele ridicate, durata scurtă a tratamentului și operarea simplă și sigură. Datorită eficienței sale ridicate și calității superioare a nanofoilor produse, ultrasonicarea este utilizată pentru producția industrială a numeroase nanofoi, inclusiv grafena și borofena.

Exfolierea cu ultrasunete a nanofoilor de oxid de ruteniu

Nanofoile de oxid de ruteniu (RuO2, cunoscut și sub denumirea de ruteniat) oferă proprietăți unice, precum conductivitate ridicată, rezistivitate scăzută, stabilitate ridicată, lucru de extracție ridicat și o bună susceptibilitate la gravarea uscată. Acest lucru face din oxidul de ruteniu un material bun pentru electrozi în dispozitivele de memorie și în tranzistoare.

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

Studiu de caz: exfoliere foarte eficientă a RuO2 cu un ultrasonicator cu sondă

Kim et al. (2021) au demonstrat în studiul lor îmbunătățirea semnificativă a exfolierii nanofoilor monostrat de oxid de ruteniu. Cercetătorii au obținut randamente ridicate de foi subțiri de oxid metalic RuO2 folosind ultrasonicarea. Procesul convențional de intercalare prin reacții de schimb ionic este lent și produce doar cantități limitate de nanofoi bidimensionale (2D), din cauza dimensiunii moleculelor și a energiei chimice necesare pentru reacție. Pentru a accelera procesul și a crește cantitatea de nanofoi de oxid de ruteniu produse, aceștia au intensificat procesul de exfoliere prin aplicarea energiei ultrasonice soluției de oxid RuO2. Au constatat că, după doar 15 minute de ultrasonicare, cantitatea de foi a crescut cu peste 50%, iar simultan dimensiunea laterală a foilor a scăzut. Calculele bazate pe teoria funcționalei densității au demonstrat că energia de activare a exfolierii este redusă semnificativ prin divizarea straturilor de RuO2 la o dimensiune laterală mică. Această reducere a dimensiunii are loc deoarece sonicarea a contribuit la separarea mai ușoară a straturilor de oxid metalic. Această cercetare subliniază faptul că utilizarea ultrasunetelor este o metodă bună și ușoară de a obține nanofoi monostrat de oxid de ruteniu. Aceasta arată că un proces de schimb ionic asistat de ultrasunete oferă o abordare simplă și eficientă pentru fabricarea nanofoilor 2D de oxid metalic. Beneficiile exfolierii cu ultrasunete explică de ce exfolierea și delaminarea cu ultrasunete sunt utilizate pe scară largă ca tehnică de producție pentru nanomaterialele 2D, cunoscute și sub denumirea de xene, inclusiv grafena și borofena.

Exfolierea cu ultrasunete favorizează producția foarte eficientă și accelerată a nanofoilor 2D de oxid de ruteniu la scară largă
(studiu și imagini: ©Kim et al., 2021).

Protocol pentru exfolierea oxidului de ruteniu asistată de ultrasunete

Protocolul următor este o instrucțiune pas cu pas pentru sinteza nanofoilor de RuO2 prin procesul de reacție de schimb ionic asistat de ultrasunete, așa cum este descris de Kim et al. (2021).

1. Preparați o soluție de RuO2 și a unui agent de intercalare prin dizolvarea acestora într-un solvent (2-propanol) și agitare timp de până la 3 zile.
2. Aplicați energie ultrasonică soluției folosind un ultrasonicator cu sondă (de ex., ultrasonicatorul cu sondă UP1000hdT (1000W, 20kHz) cu sonotroda BS4d22), timp de 15 minute, pentru a crește randamentul de nanofoi de RuO2 cu peste 50% și pentru a diviza straturile de RuO2 la o dimensiune laterală uniform mică.
3. Utilizați calcule bazate pe teoria funcționalei densității pentru a confirma că energia de activare a exfolierii este redusă semnificativ.
4. Colectați nanofoile de RuO2 rezultate, care pot fi utilizate pentru diverse aplicații.

Simplitatea acestui protocol pentru exfolierea cu ultrasunete a nanofoilor de RuO2 subliniază beneficiile producției de nanofoi cu ultrasunete. Sonicarea este o tehnică foarte eficientă pentru producerea de nanofoi monostrat de RuO2 de înaltă calitate, cu o grosime de aproximativ 1 nm. De asemenea, s-a constatat că protocolul este scalabil și reproductibil, ceea ce îl face potrivit pentru producția la scară largă de nanofoi de RuO2 pentru diverse aplicații în electronică, cataliză și stocarea energiei.

Citiți mai multe despre sinteza sonochimică a nanofulgilor de SnOx!
 

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

Ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru exfolierea RuO2

Pentru producția de nanofoi de oxid de ruteniu de înaltă calitate și a altor xene, este necesar un echipament cu ultrasunete fiabil, de înaltă performanță. Amplitudinea, presiunea și temperatura sunt parametri esențiali, cruciali pentru reproductibilitate și pentru un produs constant. Procesoarele Hielscher Ultrasonics sunt sisteme puternice și controlabile cu precizie, care permit setarea exactă a parametrilor de proces și o emisie continuă de ultrasunete de mare putere. Ultrasonicatoarele industriale Hielscher pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în mod continuu, în regim 24/7. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim de solicitare intensă și în medii dificile.
Clienții noștri sunt mulțumiți de robustețea și fiabilitatea remarcabile ale sistemelor Hielscher Ultrasonics. Instalarea în domenii de aplicații cu solicitare intensă (de ex., procesarea nanomaterialelor la scară largă), în medii dificile și funcționarea 24/7 asigură o procesare eficientă și economică. Intensificarea proceselor 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

Ultrasonicatoarele Hielscher sunt bine cunoscute pentru cele mai înalte standarde de calitate și design. Robustețea și operarea ușoară permit integrarea fără probleme a ultrasonicatoarelor noastre în instalațiile industriale. Condițiile dure și mediile dificile sunt gestionate cu ușurință de ultrasonicatoarele Hielscher.

Hielscher Ultrasonics este o companie certificată ISO și pune un accent deosebit pe ultrasonicatoare de înaltă performanță, dotate cu tehnologie de ultimă generație și ușor de utilizat. Desigur, ultrasonicatoarele Hielscher sunt conforme CE și îndeplinesc cerințele UL, CSA și RoHs.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: