Nanoflak av ruteniumoxid genom ultraljudsexfoliering

Enskiktiga nanoflak av ruteniumoxid kan framställas effektivt med sondbaserad ultraljudsbehandling. De främsta fördelarna med ultraljudsexfoliering av nanoflak är processeffektivitet, höga utbyten, kort behandlingstid samt enkel och säker drift. Tack vare den höga effektiviteten och de framställda nanoflakens överlägsna kvalitet används ultraljudsbehandling för industriell produktion av många olika nanoflak, däribland grafen och borofen.

Ultraljudsexfoliering av nanoflak av ruteniumoxid

Nanoflak av ruteniumoxid (RuO2, även känt som rutenat) har unika egenskaper som hög elektrisk ledningsförmåga, låg resistivitet, hög stabilitet, högt utträdesarbete och god mottaglighet för torretsning. Detta gör ruteniumoxid till ett bra material för elektroder i minnesenheter och transistorer.

SEM-bilder av exfolierade RuO2-nanoflak efter a) 1 minuts och b) 7 minuters ultraljudsbehandling.
(studie och bilder: ©Kim et al., 2021)

Fallstudie: Högeffektiv exfoliering av RuO2 med en sondbaserad ultraljudsapparat

Kim et al. (2021) visade i sin studie en betydande förbättring av exfolieringen av enskiktiga nanoflak av ruteniumoxid. Forskaren uppnådde höga utbyten av tunna metalloxidflak av RuO2 med hjälp av ultraljudsbehandling. Den konventionella interkaleringsprocessen genom jonbytesreaktioner är långsam och ger endast begränsade mängder tvådimensionella (2D) nanoflak på grund av molekylernas storlek och den kemiska energi som krävs för reaktionen. För att påskynda processen och öka mängden framställda nanoflak av ruteniumoxid intensifierade de exfolieringsprocessen genom att tillföra ultraljudsenergi till lösningen av RuO2-oxid. De fann att mängden flak ökade med över 50% efter bara 15 minuters ultraljudsbehandling, samtidigt som flakens laterala storlek minskade. Beräkningar med täthetsfunktionalteori visade att aktiveringsenergin för exfoliering minskar avsevärt genom att RuO2-skikten delas upp till en liten lateral storlek. Denna storleksminskning sker eftersom ultraljudsbehandlingen bidrog till att lättare bryta isär metalloxidskikten. Denna forskning understryker att ultraljud är ett bra och enkelt sätt att framställa enskiktiga nanoflak av ruteniumoxid. Detta visar att en ultraljudsassisterad jonbytesprocess erbjuder en enkel och effektiv metod för att framställa 2D-nanoflak av metalloxid. Fördelarna med ultraljudsexfoliering förklarar varför ultraljudsexfoliering och delaminering används i stor utsträckning som produktionsteknik för 2D-nanomaterial, även kallade xener, däribland grafen och borofen.

Ultraljudsexfoliering främjar högeffektiv och snabbare produktion av 2D-nanoflak av ruteniumoxid i stor skala
(studie och bilder: ©Kim et al., 2021).

Protokoll för ultraljudsassisterad exfoliering av ruteniumoxid

Följande protokoll är en stegvis instruktion för syntes av RuO2-nanoflak med en ultraljudsassisterad jonbytesreaktionsprocess enligt beskrivningen av Kim et al. (2021).
 

1. Bered en lösning av RuO2 och ett interkaleringsmedel genom att lösa upp dem i ett lösningsmedel (2-propanol) och röra om i upp till 3 dagar.
2. Tillför ultraljudsenergi till lösningen med en sondbaserad ultraljudsapparat (t.ex. den sondbaserade ultraljudsapparaten UP1000hdT (1000W, 20kHz) med sonotroden BS4d22) under 15 minuter för att öka utbytet av RuO2-nanoflak med över 50% och dela upp RuO2-skikten till en enhetligt liten lateral storlek.
3. Använd beräkningar med täthetsfunktionalteori för att bekräfta att aktiveringsenergin för exfoliering minskar avsevärt.
4. Samla upp de resulterande RuO2-nanoflaken, som kan användas för olika tillämpningar.

 
Enkelheten i detta protokoll för ultraljudsexfoliering av RuO2-nanoflak understryker fördelarna med ultraljudsbaserad produktion av nanoflak. Ultraljudsbehandling är en högeffektiv teknik för att framställa högkvalitativa enskiktiga RuO2-nanoflak med en tjocklek på cirka 1 nm. Protokollet visade sig också vara skalbart och reproducerbart, vilket gör det lämpligt för storskalig produktion av RuO2-nanoflak för olika tillämpningar inom elektronik, katalys och energilagring.
 
Läs mer om sonokemisk syntes av SnOx-nanoflak!
 

En höghastighetssekvens av bildrutor (från a till f) som illustrerar sonomekanisk exfoliering av ett grafitflak i vatten med UP200S, en ultraljudsapparat på 200W med en 3-mm-sonotrod. Pilarna visar var delningen (exfolieringen) sker, med kavitationsbubblor som tränger in i sprickan.
(studie och bilder: © Tyurnina et al. 2020

Högpresterande ultraljudsapparater för exfoliering av RuO2

För produktion av högkvalitativa nanoflak av ruteniumoxid och andra xener krävs tillförlitlig, högpresterande ultraljudsutrustning. Amplitud, tryck och temperatur är viktiga parametrar som är avgörande för reproducerbarhet och en enhetlig produkt. Ultraljudsprocessorer från Hielscher Ultrasonics är kraftfulla och exakt styrbara system som möjliggör exakt inställning av processparametrar och kontinuerlig avgivning av ultraljud med hög effekt. Hielschers industriella ultraljudsapparater kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder. Hielschers robusta ultraljudsutrustning möjliggör drift dygnet runt, alla dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer.
Våra kunder är nöjda med den enastående robustheten och tillförlitligheten hos systemen från Hielscher Ultrasonics. Installation i tillämpningar med hög belastning (t.ex. storskalig bearbetning av nanomaterial), krävande miljöer och drift dygnet runt, alla dagar i veckan, säkerställer effektiv och ekonomisk bearbetning. Processintensifiering med ultraljud minskar bearbetningstiden och ger bättre resultat, dvs. högre kvalitet, högre utbyten och innovativa produkter.

Konstruktion, tillverkning och rådgivning – kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielschers ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och konstruktionsstandarder. Robusthet och enkel användning gör det möjligt att smidigt integrera våra ultraljudsapparater i industrianläggningar. Hielschers ultraljudsapparater klarar utan svårighet tuffa förhållanden och krävande miljöer.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och hög användarvänlighet. Hielschers ultraljudsapparater är naturligtvis CE-kompatibla och uppfyller kraven enligt UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: