Jednovrstvové nanolisty oxidu ruténiového môžu efektívne vyrábať pomocou ultrazvukom typu sondy. Hlavnými výhodami ultrazvukovej exfoliácie nanohárkov sú efektívnosť procesu, vysoké výnosy, krátke ošetrenie a ľahká, bezpečná prevádzka. Vzhľadom k svojej vysokej účinnosti a vynikajúcej kvalite vyrábaných nanolistov, ultrazvukom sa používa na priemyselnú výrobu mnohých nanolistov vrátane grafénu a borofénu.

Ultrazvuková exfoliácia nanolistov oxidu ruténia

Nanodosky oxidu ruténia (RuO2, tiež známy 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 obrázky exfoliovaných nanolistov RuO2 pomocou a) 1 minúty a b) 7 minút ultrazvukom.
(štúdia a obrázky: ©Kim et al., 2021)

Prípadová štúdia: Vysoko účinná exfoliácia RuO2 pomocou ultrazvukom typu sondy

Kim et al. (2021) vo svojej štúdii ukázali výrazné zlepšenie exfoliácie jednovrstvových nanolistov oxidu ruténia. Výskumník vytvoril vysoké výnosy tenkých plechov RuO2 oxidu kovu pomocou ultrazvukom. Konvenčný proces interkalácie prostredníctvom iónomeničových reakcií je pomalý a produkuje len obmedzené množstvo dvojrozmerných (2D) nanovrstiev kvôli veľkosti molekúl a chemickej energii potrebnej na reakciu. Aby sa proces urýchlil a zvýšilo množstvo vyrobených nano-listov oxidu ruténia, zintenzívnili proces exfoliácie aplikáciou ultrazvukovej energie na roztok oxidu RuO2. Zistili, že po 15 minútach ultrazvukom sa množstvo listov zvýšilo o viac ako 50%, súčasne sa bočná veľkosť listov znížila. Výpočty funkcionálnej teórie hustoty ukázali, že aktivačná energia exfoliácie sa významne znižuje rozdelením vrstiev RuO2 na malú bočnú veľkosť. Toto zníženie veľkosti sa deje, pretože ultrazvukom pomohla ľahšie oddeliť vrstvy oxidu kovu. Tento výskum zdôrazňuje, že použitie ultrazvuku je dobrý a jednoduchý spôsob, ako vytvoriť jednovrstvové nanolisty oxidu ruténia. To ukazuje, že ultrazvukom podporovaný proces iónovej výmeny ponúka ľahký a efektívny prístup k výrobe 2D nanolistov oxidu kovu. Hody 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
(štúdia a obrázky: ©Kim et al., 2021).

Protokol pre ultrazvukovo asistovanú exfoliáciu oxidu ruténia

Nasledujúci protokol je podrobnou inštrukciou na syntézu nanolistov RuO2 pomocou ultrazvukom podporovaného procesu reakcie iónovej výmeny, ako opisuje Kim et al. (2021).
 

1. Pripraví sa roztok RuO2 a interkalantu ich rozpustením v rozpúšťadle (2-propanol) a miešaním až 3 dni.
2. Aplikujte ultrazvukovú energiu pomocou ultrazvukom typu sondy (napr. Ultrasonicator typu sondy UP1000hdT (1000W, 20kHz) so sonotrode 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.
3. Použite výpočty funkcionálnej teórie hustoty na potvrdenie, že aktivačná energia exfoliácie je výrazne znížená.
4. Zozbierajte výsledné nanolisty RuO2, ktoré je možné použiť na rôzne aplikácie.

 
Jednoduchosť tohto protokolu pre ultrazvukovú exfoliáciu RuO2 nanolistov zdôrazňuje výhody ultrazvukovej výroby nanolistov. Sonikácia je vysoko účinná technika na výrobu vysoko kvalitných jednovrstvových nanolistov RuO2 s hrúbkou približne 1 nm. Zistilo sa tiež, že protokol je škálovateľný a reprodukovateľný, vďaka čomu je vhodný na veľkovýrobu nanolistov RuO2 pre rôzne aplikácie v elektronike, katalýze a skladovaní energie.

Vysokorýchlostná sekvencia (od a po f) rámov znázorňujúca sonomechanické odlupovanie grafitovej vločky vo vode pomocou UP200S, 200W ultrasonicator s 3-mm sonotródou. Šípky ukazujú miesto rozdelenia (exfoliácie) s kavitačnými bublinami prenikajúcimi do rozdelenia.
(štúdia a obrázky: © Tyurnina et al. 2020

Vysokovýkonné ultrasonicators pre RuO2 exfoliáciu

Na výrobu vysoko kvalitných nano-listov oxidu ruténia a iných xénov je potrebné spoľahlivé vysoko výkonné ultrazvukové zariadenie. Amplitúda, tlak a teplota základné parametre, ktoré sú rozhodujúce pre reprodukovateľnosť a konzistentný produkt. Hielscher Ultrazvukové procesory sú výkonné a presne kontrolovateľné systémy, ktoré umožňujú presné nastavenie parametrov procesu a kontinuálny vysokovýkonný ultrazvukový výstup. Hielscher priemyselné ultrasonicators môžu dodávať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200μm môžu byť ľahko nepretržite prevádzkované v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje 24/7 prevádzku v ťažkých a náročných prostrediach.
Naši zákazníci sú spokojní s vynikajúcou robustnosťou a spoľahlivosťou Hielscher Ultrazvukové systémy. Inštalácia v náročných aplikáciách (napr. rozsiahle spracovanie nanomateriálov), náročných prostrediach a prevádzke 24/7 zaručuje efektívne a hospodárne spracovanie. Ultrazvukové zintenzívnenie procesu znižuje čas spracovania a dosahuje lepšie výsledky, t.j. vyššia kvalita, vyššie výnosy, inovatívne produkty.

Dizajn, výroba a poradenstvo – Kvalita vyrobená v Nemecku

Hielscher ultrasonicators sú známe svojimi najvyššími štandardmi kvality a dizajnu. Robustnosť a jednoduchá obsluha umožňujú hladkú integráciu našich ultrazvukových prístrojov do priemyselných zariadení. Drsné podmienky a náročné prostredia ľahko zvládajú ultrazvukové prístroje Hielscher.

Hielscher Ultrasonics je spoločnosť certifikovaná podľa ISO a kladie osobitný dôraz na vysoko výkonné ultrazvukové prístroje s najmodernejšou technológiou a užívateľskou prívetivosťou. Samozrejme, Hielscher ultrasonicators sú v súlade s CE a spĺňajú požiadavky UL, CSA a RoHs.

Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov: