Nanolisti rutenijevega oksida z ultrazvočno eksfoliacijo

Enoslojne nanoliste rutenijevega oksida je mogoče učinkovito izdelati s sonikacijo z ultrazvočno sondo. Glavne prednosti ultrazvočne eksfoliacije nanolistov so učinkovitost procesa, visoki izkoristki, kratka obdelava ter preprosto in varno upravljanje. Zaradi visoke učinkovitosti in vrhunske kakovosti izdelanih nanolistov se sonikacija uporablja za industrijsko proizvodnjo številnih nanolistov, vključno z grafenom in borofenom.

Ultrazvočna eksfoliacija nanolistov rutenijevega oksida

Nanolisti rutenijevega oksida (RuO2, znanega tudi kot rutenat) imajo edinstvene lastnosti, kot so visoka prevodnost, nizka specifična upornost, visoka stabilnost, visoko izstopno delo in dobra dovzetnost za suho jedkanje. Zaradi tega je rutenijev oksid dober material za elektrode v pomnilniških napravah in tranzistorjih.

Posnetki eksfoliiranih nanolistov RuO2 z vrstičnim elektronskim mikroskopom (SEM) po a) 1 minuti in b) 7 minutah sonikacije.
(študija in slike: ©Kim et al., 2021)

Študija primera: zelo učinkovita eksfoliacija RuO2 z ultrazvočno napravo s sondo

Kim et al. (2021) so v svoji študiji pokazali znatno izboljšanje eksfoliacije enoslojnih nanolistov rutenijevega oksida. Raziskovalec je s sonikacijo dosegel visoke izkoristke tankih listov kovinskega oksida RuO2. Običajni proces interkalacije z reakcijami ionske izmenjave je počasen in zaradi velikosti molekul ter kemijske energije, potrebne za reakcijo, daje le omejene količine dvodimenzionalnih (2D) nanolistov. Da bi pospešili proces in povečali količino izdelanih nanolistov rutenijevega oksida, so proces eksfoliacije intenzivirali z dovajanjem ultrazvočne energije v raztopino oksida RuO2. Ugotovili so, da se je po samo 15 minutah sonikacije količina listov povečala za več kot 50%, hkrati pa se je njihova lateralna velikost zmanjšala. Izračuni s teorijo gostotnega funkcionala so pokazali, da se aktivacijska energija eksfoliacije znatno zmanjša z razdelitvijo plasti RuO2 na majhne lateralne dimenzije. Do tega zmanjšanja velikosti pride, ker sonikacija olajša razcep plasti kovinskega oksida. Ta raziskava poudarja, da je uporaba ultrazvoka dober in preprost način izdelave enoslojnih nanolistov rutenijevega oksida. To kaže, da proces ionske izmenjave ob podpori ultrazvoka omogoča preprost in učinkovit pristop k izdelavi 2D nanolistov kovinskih oksidov. Prednosti ultrazvočne eksfoliacije pojasnjujejo, zakaj se ultrazvočna eksfoliacija in delaminacija pogosto uporabljata kot proizvodna tehnika za 2D nanomateriale, znane tudi kot kseni, vključno z grafenom in borofenom.

Ultrazvočna eksfoliacija spodbuja zelo učinkovito in pospešeno proizvodnjo 2D nanolistov rutenijevega oksida v velikem obsegu
(študija in slike: ©Kim et al., 2021).

Protokol za eksfoliacijo rutenijevega oksida ob podpori ultrazvoka

Naslednji protokol vsebuje navodila po korakih za sintezo nanolistov RuO2 s procesom reakcije ionske izmenjave ob podpori ultrazvoka, kot so ga opisali Kim et al. (2021).
 

1. Pripravite raztopino RuO2 in interkalacijskega sredstva tako, da ju raztopite v topilu (2-propanolu) in mešate do 3 dni.
2. Z ultrazvočno napravo s sondo (npr. ultrazvočno napravo s sondo UP1000hdT (1000W, 20kHz) s sonotrodo BS4d22) dovajajte ultrazvočno energijo v raztopino 15 minut, da povečate izkoristek nanolistov RuO2 za več kot 50% in razdelite plasti RuO2 na enakomerno majhne lateralne dimenzije.
3. Z izračuni s teorijo gostotnega funkcionala potrdite, da se aktivacijska energija eksfoliacije znatno zmanjša.
4. Zberite nastale nanoliste RuO2, ki jih je mogoče uporabiti za različne namene.

 
Preprostost tega protokola za ultrazvočno eksfoliacijo nanolistov RuO2 poudarja prednosti ultrazvočne proizvodnje nanolistov. Sonikacija je zelo učinkovita tehnika za izdelavo visokokakovostnih enoslojnih nanolistov RuO2 z debelino približno 1 nm. Ugotovljeno je bilo tudi, da je protokol mogoče prenesti v večje merilo in da je ponovljiv, zato je primeren za proizvodnjo nanolistov RuO2 v velikem obsegu za različne uporabe v elektroniki, katalizi in shranjevanju energije.
 
Preberite več o sonokemijski sintezi nanolusk SnOx!
 

Zaporedje posnetkov, zajetih z visoko hitrostjo (od a do f), ki prikazuje sonomehansko eksfoliacijo grafitne luske v vodi z uporabo UP200S, ultrazvočne naprave z močjo 200W in 3-mm sonotrodo. Puščice prikazujejo mesto razcepa (eksfoliacije), v katerega prodirajo kavitacijski mehurčki.
(študija in slike: © Tyurnina et al. 2020

Visokozmogljive ultrazvočne naprave za eksfoliacijo RuO2

Za proizvodnjo visokokakovostnih nanolistov rutenijevega oksida in drugih ksenov je potrebna zanesljiva visokozmogljiva ultrazvočna oprema. Amplituda, tlak in temperatura so bistveni parametri, ki so ključni za ponovljivost in enakomernost izdelka. Procesorji Hielscher Ultrasonics so zmogljivi sistemi z natančnim nadzorom, ki omogočajo natančno nastavitev procesnih parametrov in neprekinjeno oddajanje ultrazvoka visoke moči. Industrijske ultrazvočne naprave Hielscher lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200µm je mogoče brez težav neprekinjeno vzdrževati pri delovanju 24/7. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih.
Naše stranke so zadovoljne z izjemno robustnostjo in zanesljivostjo sistemov Hielscher Ultrasonics. Namestitev za uporabo pri velikih obremenitvah (npr. obdelava nanomaterialov v velikem obsegu), v zahtevnih okoljih in pri delovanju 24/7 zagotavlja učinkovito in gospodarno obdelavo. Ultrazvočna intenzifikacija procesa skrajša čas obdelave in omogoča boljše rezultate, tj. višjo kakovost, višje izkoristke in inovativne izdelke.

Načrtovanje, proizvodnja in svetovanje – kakovost, izdelana v Nemčiji

Ultrazvočne naprave Hielscher so znane po najvišjih standardih kakovosti in zasnove. Robustnost in preprosto upravljanje omogočata nemoteno vključitev naših ultrazvočnih naprav v industrijske obrate. Ultrazvočne naprave Hielscher brez težav obvladujejo težke razmere in zahtevna okolja.

Hielscher Ultrasonics je podjetje s certifikatom ISO in daje poseben poudarek visokozmogljivim ultrazvočnim napravam z najsodobnejšo tehnologijo in uporabniku prijaznim upravljanjem. Ultrazvočne naprave Hielscher so seveda skladne s CE in izpolnjujejo zahteve UL, CSA in RoHs.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih naprav: