Нанолисты оксида рутения, полученные методом ультразвуковой эксфолиации

Монослойные нанолисты оксида рутения можно эффективно получать с помощью обработки ультразвуком зондового типа. Основные преимущества ультразвуковой эксфолиации нанолистов – эффективность процесса, высокий выход, короткое время обработки, а также простота и безопасность эксплуатации. Благодаря высокой эффективности и превосходному качеству получаемых нанолистов обработка ультразвуком используется для промышленного производства многочисленных видов нанолистов, включая графен и борофен.

Ультразвуковая эксфолиация нанолистов оксида рутения

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

Изображения нанолистов RuO2, полученных методом эксфолиации при обработке ультразвуком в течение a) 1 минуты и b) 7 минут, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии.
(исследование и изображения: ©Kim et al., 2021)

Пример исследования: высокоэффективная эксфолиация RuO2 с помощью ультразвукового аппарата зондового типа

Kim et al. (2021) в своём исследовании показали значительное улучшение эксфолиации монослойных нанолистов оксида рутения. Исследователь получил высокий выход тонких листов оксида металла RuO2 с помощью обработки ультразвуком. Традиционный процесс интеркаляции посредством ионообменных реакций протекает медленно и позволяет получать лишь ограниченные количества двумерных (2D) нанолистов из-за размера молекул и химической энергии, необходимой для реакции. Чтобы ускорить процесс и увеличить количество получаемых нанолистов оксида рутения, исследователи интенсифицировали процесс эксфолиации, подводя ультразвуковую энергию к раствору оксида RuO2. Они обнаружили, что всего после 15 минут обработки ультразвуком количество листов увеличилось более чем на 50%, а их латеральный размер одновременно уменьшился. Расчёты в рамках теории функционала плотности показали, что энергия активации эксфолиации значительно снижается при разделении слоёв RuO2 на части с малым латеральным размером. Такое уменьшение размера происходит потому, что обработка ультразвуком облегчает разделение слоёв оксида металла. Это исследование подчёркивает, что использование ультразвука – хороший и простой способ получения монослойных нанолистов оксида рутения. Оно показывает, что ионообменный процесс с применением ультразвука представляет собой простой и эффективный подход к изготовлению 2D-нанолистов оксидов металлов. Преимущества ультразвуковой эксфолиации объясняют, почему ультразвуковые эксфолиация и деламинация широко используются в качестве технологии производства 2D-наноматериалов, также известных как ксены, включая графен и борофен.

Ультразвуковая эксфолиация способствует высокоэффективному и ускоренному крупномасштабному производству 2D-нанолистов оксида рутения
(исследование и изображения: ©Kim et al., 2021).

Протокол эксфолиации оксида рутения с применением ультразвука

Следующий протокол представляет собой пошаговую инструкцию по синтезу нанолистов RuO2 с использованием процесса ионообменной реакции с применением ультразвука, описанного Kim et al. (2021).
 

1. Приготовьте раствор RuO2 и интеркалирующего агента, растворив их в растворителе (2-propanol) и перемешивая до 3 дней.
2. Подводите ультразвуковую энергию к раствору с помощью ультразвукового аппарата зондового типа (например, ультразвукового аппарата зондового типа UP1000hdT (1000W, 20kHz) с сонотродом BS4d22) в течение 15 минут, чтобы увеличить выход нанолистов RuO2 более чем на 50% и разделить слои RuO2 на части с одинаково малым латеральным размером.
3. Используйте расчёты в рамках теории функционала плотности, чтобы подтвердить значительное снижение энергии активации эксфолиации.
4. Соберите полученные нанолисты RuO2, которые можно использовать для различных применений.

 
Простота этого протокола ультразвуковой эксфолиации нанолистов RuO2 подчёркивает преимущества ультразвукового производства нанолистов. Обработка ультразвуком представляет собой высокоэффективный метод получения высококачественных монослойных нанолистов RuO2 толщиной приблизительно 1 nm. Также было установлено, что протокол масштабируем и воспроизводим, что делает его пригодным для крупномасштабного производства нанолистов RuO2 для различных применений в электронике, катализе и хранении энергии.
 
Узнайте больше о сонохимическом синтезе наночешуек SnOx!
 

Последовательность кадров высокоскоростной съёмки (от a до f), иллюстрирующая сономеханическую эксфолиацию чешуйки графита в воде с помощью UP200S, ультразвукового аппарата мощностью 200W с сонотродом 3-mm. Стрелки показывают место расщепления (эксфолиации), в которое проникают кавитационные пузырьки.
(исследование и изображения: © Tyurnina et al. 2020

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для эксфолиации RuO2

Для производства высококачественных нанолистов оксида рутения и других ксенов необходимо надёжное высокопроизводительное ультразвуковое оборудование. Амплитуда, давление и температура – важнейшие параметры, имеющие решающее значение для воспроизводимости и стабильности характеристик продукта. Ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics представляют собой мощные системы с точным управлением, позволяющие точно задавать параметры процесса и непрерывно генерировать ультразвук высокой мощности. Промышленные ультразвуковые аппараты Hielscher могут обеспечивать очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200µm можно легко поддерживать непрерывно в режиме 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Прочность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 при высоких нагрузках и в сложных условиях.
Наши клиенты довольны исключительной прочностью и надёжностью систем Hielscher Ultrasonics. Установка в областях применения с высокими нагрузками (например, крупномасштабная обработка наноматериалов), в сложных условиях и эксплуатация в режиме 24/7 обеспечивают эффективную и экономичную обработку. Ультразвуковая интенсификация процессов сокращает время обработки и обеспечивает лучшие результаты, то есть более высокое качество, более высокий выход и инновационные продукты.

Проектирование, производство и консультирование – качество из Германии

Ультразвуковые аппараты Hielscher известны высочайшими стандартами качества и проектирования. Прочность и простота эксплуатации позволяют без затруднений интегрировать наши ультразвуковые аппараты в промышленные установки. Ультразвуковые аппараты Hielscher легко справляются с тяжёлыми условиями эксплуатации и требовательной рабочей средой.

Hielscher Ultrasonics – компания, сертифицированная по ISO, которая уделяет особое внимание высокопроизводительным ультразвуковым аппаратам, сочетающим самые современные технологии и удобство использования. Разумеется, ультразвуковые аппараты Hielscher соответствуют требованиям CE и удовлетворяют требованиям UL, CSA и RoHs.

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов: