Nanoark av ruteniumoxid via ultraljudsexfoliering

Nanoark av ruteniumoxid monolager kan effektivt produceras med hjälp av ultraljud av sondtyp. Stora fördelar med ultraljud nanosheet exfoliering är processeffektivitet, höga utbyten, kort behandling och enkel, säker drift. På grund av dess höga effektivitet och överlägsna kvalitet på producerade nanoark, används ultraljud för industriell produktion av många nanoark inklusive grafen och borofen.

Ultraljud exfoliering av ruteniumoxid nanoark

Nanoark av ruteniumoxid (RuO2, även känt som rutenat) erbjuder unika egenskaper som hög konduktivitet, låg resistivitet, hög stabilitet, hög arbetsfunktion och god känslighet för torretsning. Detta gör ruteniumoxid till ett bra material för elektroder i minnesenheter och transistorer.

SEM-bilder av exfolierade RuO2 nanoark med a) 1 minut och b) 7 minuters ultraljud.
(studie och bilder: ©Kim et al., 2021)

Fallstudie: Mycket effektiv RuO2 exfoliering med hjälp av en sond-typ ultraljud

Kim et al. (2021) visade i sin studie den signifikanta förbättringen av exfoliering av nanoark med ruteniumoxidmonolager. Forskaren skapade höga utbyten av tunna RuO2 metalloxidskivor med hjälp av ultraljud. Den konventionella interkalationsprocessen genom jonbytesreaktioner är långsam och producerar endast begränsade mängder tvådimensionella (2D) nanoark på grund av storleken på molekyler och kemisk energi som krävs för reaktionen. För att göra processen snabbare och öka mängden nanoark av ruteniumoxid som produceras, intensifierade de exfolieringsprocessen genom att applicera ultraljudsenergi på lösningen av RuO2-oxid. De fann att efter bara 15 minuters ultraljud ökade mängden ark med över 50%, samtidigt minskade den laterala storleken på arken. Beräkningar av densitetsfunktionalteori visade att aktiveringsenergin för exfoliering reduceras signifikant genom att dela upp RuO2-skikten i en liten lateral storlek. Dettastorleksminskning sker eftersom ultraljudsbehandling hjälpte till att bryta isär lagren av metalloxid lättare. Denna forskning understryker att användning av ultraljud är ett bra och enkelt sätt att göra nanoark av ruteniumoxid med monolager. Detta visar att en ultraljudsstödd jonbytesprocess erbjuder ett enkelt och effektivt tillvägagångssätt för tillverkning av 2D-nanoark av metalloxid. Fördelarna med ultarsonisk exfoliering förklarar varför ultraljudsexfoliering och delaminering används i stor utsträckning som produktionsteknik för 2D-nanomaterial, även kända som xener, inklusive grafen och borofen.

Ultraljud exfoliering främjar den mycket effektiva och accelererade produktionen av ruteniumoxid 2D nanoark i stor skala
(studie och bilder: ©Kim et al., 2021).

Protokoll för ultraljudsassisterad exfoliering av ruteniumoxid

Följande protokoll är en steg-för-steg-instruktion för att syntetisera RuO2-nanoark med hjälp av ultraljudsstödd jonbytesreaktionsprocess som beskrivs av Kim et al. (2021).
 

1. Förbered en lösning av RuO2 och en interkalant genom att lösa upp dem i lösningsmedel (2-propanol) och rör om i upp till 3 dagar.
2. Applicera ultraljudsenergi med hjälp av en ultraljudsapparat av sondtyp (t.ex. ultraljudsapparat av sondtyp UP1000hdT (1000W, 20kHz) med sonotrode BS4d22) på lösningen i 15 minuter för att öka utbytet av RuO2 nanoark med över 50% och för att dela upp RuO2-skikten i en enhetligt liten sidostorlek.
3. Använd beräkningar av densitetsfunktionalteori för att bekräfta att aktiveringsenergin för exfoliering minskar avsevärt.
4. Samla in de resulterande RuO2 nanoarken, som kan användas för olika applikationer.

 
Enkelheten i detta protokoll för ultraljudsexfoliering av RuO2 nanoark understryker fördelarna med ultraljud nanoarkproduktion. Ultraljudsbehandling är en mycket effektiv teknik för att producera högkvalitativa monolager RuO2 nanoark med en tjocklek av cirka 1 nm. Protokollet visade sig också vara skalbart och reproducerbart, vilket gör det lämpligt för storskalig produktion av RuO2 nanoark för olika applikationer inom elektronik, katalys och energilagring.

En höghastighetssekvens (från a till f) av ramar som illustrerar sono-mekanisk exfoliering av en grafitflaga i vatten med hjälp av UP200S, en 200W ultraljudsapparat med 3 mm sonotrode. Pilar visar platsen för delning (exfoliering) med kavitationsbubblor som tränger in i delningen.
(studie och bilder: © Tyurnina et al. 2020

Högpresterande ultraljudsapparater för RuO2 exfoliering

För produktion av högkvalitativa ruteniumoxid nanoark och andra xenoner krävs pålitlig högpresterande ultraljudsutrustning. Amplitud, tryck och temperatur är viktiga parametrar som är avgörande för reproducerbarhet och en konsekvent produkt. Hielscher Ultrasonics-processorer är kraftfulla och exakt kontrollerbara system, som möjliggör exakt inställning av processparametrar och kontinuerlig ultraljudsutgång med hög effekt. Hielscher industriella ultraljudsapparater kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer.
Våra kunder är nöjda med den enastående robustheten och tillförlitligheten hos Hielscher Ultrasonics-system. Installationen i områden med tung användning (t.ex. storskalig bearbetning av nanomaterial), krävande miljöer och 24/7-drift säkerställer effektiv och ekonomisk bearbetning. Ultraljudsprocessintensifiering minskar bearbetningstiden och uppnår bättre resultat, dvs. högre kvalitet, högre avkastning, innovativa produkter.

Design, tillverkning och rådgivning – Kvalitet tillverkad i Tyskland

Hielscher ultraljudsapparater är välkända för sina högsta kvalitets- och designstandarder. Robusthet och enkel drift möjliggör en smidig integration av våra ultraljudsapparater i industriella anläggningar. Tuffa förhållanden och krävande miljöer hanteras enkelt av Hielscher ultraljudsapparater.

Hielscher Ultrasonics är ett ISO-certifierat företag och lägger särskild vikt vid högpresterande ultraljudsapparater med den senaste tekniken och användarvänligheten. Naturligtvis är Hielscher ultraljudsapparater CE-kompatibla och uppfyller kraven i UL, CSA och RoHs.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: