Nanovrstvy oxidu ruténia prostredníctvom ultrazvukovej exfoliácie
Jednovrstvové nanovrstvy z oxidu ruténia je možné efektívne vyrábať pomocou ultrazvuku typu sondy. Hlavnými výhodami ultrazvukovej exfoliácie nanolistov sú efektívnosť procesu, vysoké výnosy, krátke ošetrenie a jednoduchá a bezpečná prevádzka. Vďaka svojej vysokej účinnosti a vynikajúcej kvalite vyrábaných nanolistov sa ultrazvuk používa na priemyselnú výrobu mnohých nanolistov vrátane grafénu a borofénu.
Ultrazvuková exfoliácia nanolistov oxidu ruténia
Nanovrstvy z oxidu ruténia (RuO2, tiež známe ako ruthenát) ponúkajú jedinečné vlastnosti, ako je vysoká vodivosť, nízky odpor, vysoká stabilita, vysoká pracovná funkcia a dobrá náchylnosť na suché leptanie. Vďaka tomu je oxid ruténia dobrým materiálom pre elektródy v pamäťových zariadeniach a tranzistoroch.
SEM snímky exfoliovaných nanolistov RuO2 pomocou a) 1 minúty a b) 7 minút ultrazvuku.
Priemyselný výkonový ultrazvukový systém pre priemyselnú inline exfoliáciu nanolistov oxidu ruténium.
Prípadová štúdia: Vysoko účinná exfoliácia RuO2 pomocou ultrazvukového zariadenia typu sondy
Kim et al. (2021) vo svojej štúdii ukázali výrazné zlepšenie exfoliácie jednovrstvových nanolistov oxidu ruténium. Výskumník vytvoril vysoké výnosy tenkých plechov z oxidu kovu RuO2 pomocou ultrazvuku. Konvenčný proces interkalácie prostredníctvom reakcií iónovej výmeny je pomalý a produkuje len obmedzené množstvo dvojrozmerných (2D) nanolistov kvôli veľkosti molekúl a chemickej energii potrebnej na reakciu. Aby sa proces urýchlil a zvýšilo sa množstvo vyrobených nanolistov oxidu ruténium, zintenzívnili proces exfoliácie aplikáciou ultrazvukovej energie na roztok oxidu RuO2. Zistili, že už po 15 minútach ultrazvuku sa množstvo listov zvýšilo o viac ako 50 %, súčasne sa zmenšila bočná veľkosť listov. Výpočty teórie funkcionálu hustoty preukázali, že aktivačná energia exfoliácie je významne znížená rozdelením vrstiev RuO2 na malú bočnú veľkosť. K tomuto zmenšeniu veľkosti dochádza, pretože sonikacia pomohla ľahšie rozbiť vrstvy oxidu kovu. Tento výskum zdôrazňuje, že použitie ultrazvuku je dobrý a jednoduchý spôsob, ako vyrobiť jednovrstvové nanovrstvy z oxidu ruténium. To ukazuje, že ultrazvukom podporovaný proces iónovej výmeny ponúka jednoduchý a efektívny prístup k výrobe 2D nanodosiek oxidov kovov. Výhody ultarsonickej exfoliácie vysvetľujú, prečo je ultrazvuková exfoliácia a delaminácia široko používaná ako výrobná technika pre 2D nanomateriály, tiež známe ako xény, vrátane grafénu a borofénu.
Ultrazvuková exfoliácia podporuje vysoko efektívnu a zrýchlenú výrobu 2D nanolistov oxidu ruténia vo veľkom meradle
Ultrazvukovú exfoliáciu nanolistov RuO2 je možné vykonať aj v laboratórnom meradle. Na obrázku je ultrazvukový sondový ultrazvuk UP400St počas exfoliácie nanolistov v kadičke.
Protokol pre ultrazvukom asistovanú exfoliáciu oxidu ruténia
Nasledujúci protokol je podrobnou inštrukciou na syntézu nanolistov RuO2 pomocou ultrazvukom podporovaného procesu iónovej výmeny, ako to popisujú Kim et al. (2021).
- Pripravte roztok RuO2 a interkalantu ich rozpustením v rozpúšťadle (2-propanol) a miešaním až 3 dni.
- Aplikujte ultrazvukovú energiu pomocou ultrazvukového ultrazvuku typu sondy (napr. ultrazvukový ultrazvuk sondového typu UP1000hdT (1000 W, 20 kHz) so sonotródou BS4d22) na roztok po dobu 15 minút, aby sa zvýšil výťažok nanolistov RuO2 o viac ako 50 % a aby sa vrstvy RuO2 rozdelili na rovnomerne malú bočnú veľkosť.
- Použite výpočty teórie funkcionálu hustoty na potvrdenie výrazne zníženej aktivačnej energie exfoliácie.
- Zozbierajte výsledné nanolisty RuO2, ktoré je možné použiť na rôzne aplikácie.
Jednoduchosť tohto protokolu pre ultrazvukovú exfoliáciu RuO2 nanolistov podčiarkuje výhody výroby ultrazvukových nanodosiek. Sonikácia je vysoko účinná technika na výrobu vysokokvalitných jednovrstvových nanodosiek RuO2 s hrúbkou približne 1 nm. Zistilo sa tiež, že protokol je škálovateľný a reprodukovateľný, vďaka čomu je vhodný na rozsiahlu výrobu nanolistov RuO2 pre rôzne aplikácie v elektronike, katalýze a skladovaní energie.
Vysokorýchlostná sekvencia (od a do f) snímok ilustrujúcich sono-mechanickú exfoliáciu grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, 200W ultrazvuku s 3 mm sonotrodou. Šípky ukazujú miesto štiepenia (exfoliácie) s kavitačnými bublinami prenikajúcimi do štiepenia.
Mechanizmus ultrazvukovej exfoliácie 2D nanolistov.
Vysoko výkonné ultrazvukové prístroje pre exfoliáciu RuO2
Na výrobu vysoko kvalitných nanodosiek z oxidu ruténia a iných xénov je potrebné spoľahlivé vysokovýkonné ultrazvukové zariadenie. Základné parametre amplitúdy, tlaku a teploty, ktoré sú rozhodujúce pre reprodukovateľnosť a konzistentný produkt. Ultrazvukové procesory Hielscher sú výkonné a presne ovládateľné systémy, ktoré umožňujú presné nastavenie parametrov procesu a nepretržitý vysokovýkonný ultrazvukový výstup. Priemyselné ultrazvukové prístroje Hielscher môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach.
Naši zákazníci sú spokojní s vynikajúcou robustnosťou a spoľahlivosťou ultrazvukových systémov Hielscher. Inštalácia v oblastiach náročných aplikácií (napr. rozsiahle spracovanie nanomateriálov), náročných prostredí a prevádzka 24 hodín denne, 7 dní v týždni zaisťujú efektívne a ekonomické spracovanie. Ultrazvuková intenzifikácia procesu skracuje čas spracovania a dosahuje lepšie výsledky, t.j. vyššiu kvalitu, vyššie výnosy, inovatívne produkty.
Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku
Ultrazvukové prístroje Hielscher sú známe svojou najvyššou kvalitou a dizajnovými štandardmi. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú bezproblémovú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredie ľahko zvládnu ultrazvukové prístroje Hielscher.
Hielscher Ultrasonics je spoločnosť s certifikáciou ISO a kladie osobitný dôraz na vysokovýkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú samozrejme v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 05 až 1,5 ml | N.A. | VialTweeter | 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás!? Opýtajte sa nás!
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, disperziu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, pilotnom a priemyselnom meradle.
Literatúra? Referencie
- Kim, Se Yun; Kim, Sang-il; Kim, Mun Kyoung; Kim, Jinhong; Mizusaki, Soichiro; Ko, Dong-Su; Jung, Changhoon; Yun, Dong-Jin; Roh, Jong Wook; Kim, Hyun-Sik; Sohn, Hiesang; Lim, Jong-Hyeong; Oh, Jong-Min; Jeong, Hyung Mo; Shin, Weon Ho, (2021): Ultrasonic Assisted Exfoliation for Efficient Production of RuO2 Monolayer Nanosheets. Inorganic Chemistry Frontiers 2021.
- Adam K. Budniak, Niall A. Killilea, Szymon J. Zelewski, Mykhailo Sytnyk, Yaron Kauffmann, Yaron Amouyal, Robert Kudrawiec, Wolfgang Heiss, Efrat Lifshitz (2020): Exfoliated CrPS4 with Promising Photoconductivity. Small Vol.16, Issue1. January 9, 2020.
- Anastasia V. Tyurnina, Iakovos Tzanakis, Justin Morton, Jiawei Mi, Kyriakos Porfyrakis, Barbara M. Maciejewska, Nicole Grobert, Dmitry G. Eskin 2020): Ultrasonic exfoliation of graphene in water: A key parameter study. Carbon, Vol. 168, 2020.
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.