Нанолисты оксида рутения методом ультразвукового отшелушивания

Монослойные нанолисты оксида рутения могут быть эффективно изготовлены с использованием ультразвуковой обработки зондового типа. Основными преимуществами ультразвукового отшелушивания нанолистов являются эффективность процесса, высокая производительность, короткая обработка и легкая и безопасная эксплуатация. Благодаря своей высокой эффективности и превосходному качеству производимых нанолистов, ультразвук используется для промышленного производства многочисленных нанолистов, включая графен и борофен.

Ультразвуковое отшелушивание нанолистов оксида рутения

Нанолисты оксида рутения (RuO2, также известного как рутенат) обладают уникальными свойствами, такими как высокая проводимость, низкое удельное сопротивление, высокая стабильность, высокая рабочая функция и хорошая восприимчивость к сухому травлению. Это делает оксид рутения хорошим материалом для электродов в устройствах памяти и транзисторах.

СЭМ-изображения отслоившихся нанолистов RuO2 с использованием а) 1 минуты и б) 7 минут ультразвукового исследования.
(исследование и фотографии: ©Kim et al., 2021)

Практический пример: Высокоэффективное отшелушивание RuO2 с помощью ультразвукового аппарата зондового типа

Kim et al. (2021) показали в своем исследовании значительное улучшение отшелушивания нанослоев оксида рутения. Исследователь создал высокие выходы тонких листов оксида металла RuO2 с помощью ультразвука. Традиционный процесс интеркаляции через реакции ионного обмена является медленным и производит лишь ограниченное количество двумерных (2D) нанолистов из-за размера молекул и химической энергии, необходимой для реакции. Чтобы ускорить процесс и увеличить количество производимых нанолистов оксида рутения, они интенсифицировали процесс отшелушивания путем подачи ультразвуковой энергии на раствор оксида RuO2. Они обнаружили, что уже через 15 минут ультразвукового исследования количество листов увеличилось более чем на 50%, в то же время боковой размер листов уменьшился. Расчеты теории функционала плотности показали, что энергия активации эксфолиации значительно снижается при расщеплении слоев RuO2 на небольшие боковые размеры. Такое уменьшение размера происходит потому, что ультразвуковая обработка помогла легче разрушить слои оксида металла. Это исследование подчеркивает, что использование ультразвука является хорошим и простым способом создания монослойных нанолистов оксида рутения. Это показывает, что процесс ионного обмена с ультразвуковой поддержкой обеспечивает простой и эффективный подход к изготовлению двумерных нанолистов из оксидов металлов. Особенности ультарсонической эксфолиации объясняют, почему ультразвуковая эксфолиация и расслоение широко используются в качестве технологии производства 2D-наноматериалов, также известных как ксены, включая графен и борофен.

Ультразвуковое отшелушивание способствует высокоэффективному и ускоренному производству 2D-нанолистов оксида рутения в больших масштабах
(исследование и фотографии: ©Kim et al., 2021).

Протокол ультразвукового отшелушивания оксидом рутения

Следующий протокол представляет собой пошаговую инструкцию по синтезу нанолистов RuO2 с использованием процесса ионообменной реакции с ультразвуковой поддержкой, как описано Kim et al. (2021).
 

1. Приготовьте раствор RuO2 и интеркалянта, растворив их в растворителе (2-пропаноле) и перемешивая до 3 суток.
2. С помощью ультразвукового аппарата зондового типа (например, ультразвукового аппарата зондового типа UP1000hdT (1000 Вт, 20 кГц) с сонотродом BS4d22) подайте ультразвуковую энергию на раствор в течение 15 минут, чтобы увеличить выход нанолистов RuO2 более чем на 50% и расщепить слои RuO2 на равномерно малые боковые размеры.
3. Используйте расчеты теории функционала плотности для подтверждения того, что энергия активации отшелушивания значительно снижается.
4. Соберите полученные нанолисты RuO2, которые можно использовать для различных целей.

 
Простота этого протокола ультразвукового отшелушивания нанолистов RuO2 подчеркивает преимущества ультразвукового производства нанолистов. Ультразвуковая обработка является высокоэффективным методом получения высококачественных монослойных нанолистов RuO2 толщиной около 1 нм. Протокол также был признан масштабируемым и воспроизводимым, что делает его пригодным для крупномасштабного производства нанолистов RuO2 для различных применений в электронике, катализе и хранении энергии.

Высокоскоростная последовательность кадров (от a до f), иллюстрирующая сономеханическое отслаивание графитовой чешуйки в воде с использованием UP200S, ультразвукового аппарата мощностью 200 Вт с 3-мм сонотродом. Стрелками показано место расщепления (отслаивания) с проникновением в раскол кавитационных пузырьков.
(исследование и фото: © Тюрнина и др. 2020

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для отшелушивания RuO2

Для производства высококачественных нанолистов оксида рутения и других ксенов требуется надежное высокопроизводительное ультразвуковое оборудование. Амплитуда, давление и температура являются основными параметрами, которые имеют решающее значение для воспроизводимости и однородности продукта. Ультразвуковые процессоры Hielscher представляют собой мощные и точно управляемые системы, которые позволяют точно задавать параметры процесса и непрерывно выводить ультразвук высокой мощности. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях и в сложных условиях.
Наши клиенты довольны исключительной прочностью и надежностью ультразвуковых систем Hielscher. Установка в тяжелых условиях эксплуатации (например, при крупномасштабной обработке наноматериалов), в сложных условиях и в режиме 24/7 обеспечивают эффективную и экономичную обработку. Ультразвуковая интенсификация процесса сокращает время обработки и позволяет добиться лучших результатов, т.е. более высокого качества, более высоких выходов, инновационных продуктов.

Проектирование, производство и консалтинг – Качество «Сделано в Германии»

Ультразвуковые аппараты Hielscher хорошо известны своими высочайшими стандартами качества и дизайна. Надежность и простота в эксплуатации позволяют без проблем интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные объекты. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с суровыми условиями и требовательными условиями окружающей среды.

Hielscher Ultrasonics является компанией, сертифицированной по стандарту ISO, и уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, отличающимся самыми современными технологиями и удобством в использовании. Конечно, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и соответствуют требованиям UL, CSA и RoHs.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: