Nanovrstvy oxidu ruténia získané ultrazvukovou exfoliáciou

Jednovrstvové nanovrstvy oxidu ruténia možno efektívne vyrábať pomocou sonikácie sondovým ultrazvukovým zariadením. Hlavnými výhodami ultrazvukovej exfoliácie nanovrstiev sú efektívnosť procesu, vysoké výťažky, krátky čas spracovania a jednoduchá, bezpečná obsluha. Vďaka vysokej účinnosti a vynikajúcej kvalite vyrobených nanovrstiev sa sonikácia používa na priemyselnú výrobu mnohých nanovrstiev vrátane grafénu a borofénu.

Ultrazvuková exfoliácia nanovrstiev oxidu ruténia

Nanovrstvy oxidu ruténia (RuO2, známeho aj ako ruteničnan) ponúkajú jedinečné vlastnosti, ako sú vysoká vodivosť, nízky merný odpor, vysoká stabilita, vysoká výstupná práca a dobrá leptateľnosť za sucha. Vďaka tomu je oxid ruténia vhodným materiálom na elektródy v pamäťových zariadeniach a tranzistoroch.

Snímky nanovrstiev RuO2 exfoliovaných pomocou sonikácie trvajúcej a) 1 minútu a b) 7 minút, získané skenovacou elektrónovou mikroskopiou (SEM).
(štúdia a obrázky: ©Kim et al., 2021)

Prípadová štúdia: Vysoko účinná exfoliácia RuO2 pomocou sondového ultrazvukového zariadenia

Kim et al. (2021) vo svojej štúdii preukázali výrazné zlepšenie exfoliácie jednovrstvových nanovrstiev oxidu ruténia. Výskumník pomocou sonikácie dosiahol vysoké výťažky tenkých vrstiev kovového oxidu RuO2. Konvenčný proces interkalácie prostredníctvom iónomeničových reakcií je pomalý a poskytuje len obmedzené množstvá dvojrozmerných (2D) nanovrstiev v dôsledku veľkosti molekúl a chemickej energie potrebnej na reakciu. Na urýchlenie procesu a zvýšenie množstva vyrobených nanovrstiev oxidu ruténia zintenzívnili proces exfoliácie pôsobením ultrazvukovej energie na roztok oxidu RuO2. Zistili, že už po 15 minútach sonikácie sa množstvo vrstiev zvýšilo o viac ako 50% a súčasne sa zmenšili ich laterálne rozmery. Výpočty pomocou teórie funkcionálu hustoty preukázali, že aktivačná energia exfoliácie sa výrazne znižuje rozdelením vrstiev RuO2 na časti s malými laterálnymi rozmermi. K tomuto zmenšeniu dochádza preto, že sonikácia pomohla ľahšie oddeliť vrstvy kovového oxidu. Tento výskum zdôrazňuje, že použitie ultrazvuku je dobrým a jednoduchým spôsobom výroby jednovrstvových nanovrstiev oxidu ruténia. Ukazuje to, že ultrazvukom podporovaný proces iónovej výmeny ponúka jednoduchý a efektívny prístup k výrobe 2D nanovrstiev kovových oxidov. Výhody ultrazvukovej exfoliácie vysvetľujú, prečo sa ultrazvuková exfoliácia a delaminácia široko používajú ako výrobná technika pre 2D nanomateriály, známe aj ako xény, vrátane grafénu a borofénu.

Ultrazvuková exfoliácia podporuje vysoko efektívnu a zrýchlenú veľkokapacitnú výrobu 2D nanovrstiev oxidu ruténia
(štúdia a obrázky: ©Kim et al., 2021).

Protokol ultrazvukom podporovanej exfoliácie oxidu ruténia

Nasledujúci protokol predstavuje podrobný návod na syntézu nanovrstiev RuO2 pomocou ultrazvukom podporovaného procesu iónomeničovej reakcie, ktorý opísali Kim et al. (2021).
 

1. Pripravte roztok RuO2 a interkalantu ich rozpustením v rozpúšťadle (2-propanol) a miešaním až 3 dni.
2. Pôsobte na roztok ultrazvukovou energiou pomocou sondového ultrazvukového zariadenia (napr. sondového ultrazvukového zariadenia UP1000hdT (1000W, 20kHz) so sonotródou BS4d22) počas 15 minút, aby sa výťažok nanovrstiev RuO2 zvýšil o viac ako 50% a vrstvy RuO2 sa rozdelili na časti s rovnomerne malými laterálnymi rozmermi.
3. Pomocou výpočtov teórie funkcionálu hustoty potvrďte, že aktivačná energia exfoliácie sa výrazne znižuje.
4. Zozbierajte výsledné nanovrstvy RuO2, ktoré možno použiť na rôzne aplikácie.

 
Jednoduchosť tohto protokolu ultrazvukovej exfoliácie nanovrstiev RuO2 zdôrazňuje výhody ultrazvukovej výroby nanovrstiev. Sonikácia je vysoko účinná technika výroby vysokokvalitných jednovrstvových nanovrstiev RuO2 s hrúbkou približne 1 nm. Zistilo sa tiež, že protokol je škálovateľný a reprodukovateľný, vďaka čomu je vhodný na veľkokapacitnú výrobu nanovrstiev RuO2 na rôzne aplikácie v elektronike, katalýze a skladovaní energie.
 
Prečítajte si viac o sonochemickej syntéze nanovločiek SnOx!
 

Sekvencia snímok z vysokorýchlostného snímania (od a po f) znázorňujúca sonomechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, ultrazvukového zariadenia s výkonom 200W a sonotródou s priemerom 3 mm. Šípky označujú miesto štiepenia (exfoliácie), do ktorého prenikajú kavitačné bubliny.
(štúdia a obrázky: © Tyurnina et al. 2020

Vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia na exfoliáciu RuO2

Na výrobu vysokokvalitných nanovrstiev oxidu ruténia a ďalších xénov je potrebné spoľahlivé vysokovýkonné ultrazvukové vybavenie. Amplitúda, tlak a teplota sú základné parametre, ktoré sú rozhodujúce pre reprodukovateľnosť a konzistentný produkt. Procesory Hielscher Ultrasonics sú výkonné a presne ovládateľné systémy, ktoré umožňujú presné nastavenie procesných parametrov a nepretržitý výstup ultrazvuku s vysokým výkonom. Priemyselné ultrazvukové zariadenia Hielscher dokážu dosahovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200µm možno ľahko nepretržite udržiavať v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii ultrazvukové sonotródy na mieru. Robustnosť ultrazvukového vybavenia Hielscher umožňuje prevádzku 24/7 pri vysokom zaťažení a v náročných prostrediach.
Naši zákazníci sú spokojní s mimoriadnou robustnosťou a spoľahlivosťou systémov Hielscher Ultrasonics. Inštalácia v oblastiach s vysokým prevádzkovým zaťažením (napr. veľkokapacitné spracovanie nanomateriálov), v náročných prostrediach a prevádzka 24/7 zabezpečujú efektívne a hospodárne spracovanie. Ultrazvuková intenzifikácia procesu skracuje čas spracovania a dosahuje lepšie výsledky, t. j. vyššiu kvalitu, vyššie výťažky a inovatívne produkty.

Návrh, výroba a poradenstvo – kvalita vyrobená v Nemecku

Ultrazvukové zariadenia Hielscher sú známe najvyššími štandardmi kvality a konštrukcie. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových zariadení do priemyselných prevádzok. Ultrazvukové zariadenia Hielscher si ľahko poradia s drsnými podmienkami a náročnými prostrediami.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia s najmodernejšou technológiou a jednoduchou obsluhou. Ultrazvukové zariadenia Hielscher samozrejme spĺňajú požiadavky CE a požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej kapacite spracovania našich ultrazvukových zariadení: