Các tấm nano oxit rutheni bằng phương pháp bóc tách siêu âm

Các tấm nano oxit rutheni đơn lớp có thể được sản xuất hiệu quả bằng siêu âm dạng đầu dò. Những ưu điểm chính của phương pháp bóc tách tấm nano bằng siêu âm là hiệu quả quy trình, hiệu suất thu hồi cao, thời gian xử lý ngắn và vận hành dễ dàng, an toàn. Nhờ hiệu quả cao và chất lượng vượt trội của các tấm nano được tạo ra, siêu âm được sử dụng để sản xuất công nghiệp nhiều loại tấm nano, bao gồm graphene và borophene.

Bóc tách các tấm nano oxit rutheni bằng siêu âm

Các tấm nano oxit rutheni (RuO2, còn được gọi là ruthenat) có những đặc tính độc đáo như độ dẫn điện cao, điện trở suất thấp, độ ổn định cao, công thoát lớn và khả năng đáp ứng tốt với quá trình khắc khô. Điều này khiến oxit rutheni trở thành vật liệu tốt để làm điện cực trong các thiết bị nhớ và transistor.

Ảnh SEM của các tấm nano RuO2 được bóc tách bằng siêu âm trong a) 1 phút và b) 7 phút.
(nghiên cứu và hình ảnh: ©Kim et al., 2021)

Nghiên cứu điển hình: Bóc tách RuO2 hiệu quả cao bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò

Kim et al. (2021) đã cho thấy trong nghiên cứu của mình sự cải thiện đáng kể trong việc bóc tách các tấm nano oxit rutheni đơn lớp. Nhà nghiên cứu đã tạo ra các tấm oxit kim loại RuO2 mỏng với hiệu suất thu hồi cao bằng siêu âm. Quá trình xen cài thông thường thông qua các phản ứng trao đổi ion diễn ra chậm và chỉ tạo ra lượng tấm nano hai chiều (2D) hạn chế do kích thước phân tử và năng lượng hóa học cần thiết cho phản ứng. Để đẩy nhanh quá trình và tăng lượng tấm nano oxit rutheni được tạo ra, họ đã tăng cường quá trình bóc tách bằng cách đưa năng lượng siêu âm vào dung dịch oxit RuO2. Họ nhận thấy rằng chỉ sau 15 phút xử lý siêu âm, lượng tấm tăng hơn 50%, đồng thời kích thước theo phương ngang của các tấm giảm. Các phép tính theo lý thuyết phiếm hàm mật độ cho thấy năng lượng hoạt hóa của quá trình bóc tách giảm đáng kể khi chia các lớp RuO2 thành những phần có kích thước nhỏ theo phương ngang. Sự giảm kích thước này xảy ra do siêu âm giúp tách rời các lớp oxit kim loại dễ dàng hơn. Nghiên cứu này nhấn mạnh rằng sử dụng siêu âm là một cách tốt và dễ thực hiện để tạo ra các tấm nano oxit rutheni đơn lớp. Điều này cho thấy quá trình trao đổi ion có hỗ trợ siêu âm mang lại một phương pháp dễ thực hiện và hiệu quả để chế tạo các tấm nano oxit kim loại 2D. Những lợi ích của việc bóc tách bằng siêu âm giải thích vì sao phương pháp bóc tách và tách lớp bằng siêu âm được sử dụng rộng rãi làm kỹ thuật sản xuất các vật liệu nano 2D, còn được gọi là xene, bao gồm graphene và borophene.

Bóc tách bằng siêu âm thúc đẩy quá trình sản xuất các tấm nano oxit rutheni 2D ở quy mô lớn với hiệu quả cao và tốc độ nhanh hơn
(nghiên cứu và hình ảnh: ©Kim et al., 2021).

Quy trình bóc tách oxit rutheni có hỗ trợ siêu âm

Quy trình sau đây hướng dẫn từng bước tổng hợp các tấm nano RuO2 bằng quá trình phản ứng trao đổi ion có hỗ trợ siêu âm theo mô tả của Kim et al. (2021).
 

1. Chuẩn bị dung dịch RuO2 và chất xen cài bằng cách hòa tan chúng trong dung môi (2-propanol) và khuấy trong tối đa 3 ngày.
2. Đưa năng lượng siêu âm vào dung dịch trong 15 phút bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò (ví dụ: thiết bị siêu âm dạng đầu dò UP1000hdT (1000W, 20kHz) với đầu phát siêu âm BS4d22) để tăng hiệu suất thu hồi các tấm nano RuO2 hơn 50% và chia các lớp RuO2 thành những phần có kích thước nhỏ đồng đều theo phương ngang.
3. Sử dụng các phép tính theo lý thuyết phiếm hàm mật độ để xác nhận rằng năng lượng hoạt hóa của quá trình bóc tách giảm đáng kể.
4. Thu gom các tấm nano RuO2 được tạo ra, có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

 
Tính đơn giản của quy trình bóc tách các tấm nano RuO2 bằng siêu âm này nhấn mạnh những lợi ích của việc sản xuất tấm nano bằng siêu âm. Xử lý siêu âm là một kỹ thuật có hiệu quả cao để sản xuất các tấm nano RuO2 đơn lớp chất lượng cao với độ dày khoảng 1 nm. Quy trình này cũng được xác định là có khả năng mở rộng quy mô và tái lập, nhờ đó phù hợp để sản xuất các tấm nano RuO2 ở quy mô lớn cho nhiều ứng dụng trong điện tử, xúc tác và lưu trữ năng lượng.
 
Đọc thêm về quá trình tổng hợp các phiến nano SnOx bằng hóa siêu âm!
 

Chuỗi khung hình tốc độ cao (từ a đến f) minh họa quá trình bóc tách một vảy graphit trong nước bằng tác động cơ học của siêu âm sử dụng UP200S, thiết bị siêu âm 200W với đầu phát siêu âm 3-mm. Các mũi tên chỉ vị trí tách (bóc tách), nơi các bọt khí xâm thực xâm nhập vào khe tách.
(nghiên cứu và hình ảnh: © Tyurnina et al. 2020

Thiết bị siêu âm hiệu năng cao để bóc tách RuO2

Để sản xuất các tấm nano oxit rutheni chất lượng cao và các xene khác, cần có thiết bị siêu âm hiệu năng cao, đáng tin cậy. Biên độ, áp suất và nhiệt độ là những thông số thiết yếu, có vai trò quyết định đối với khả năng tái lập và tính đồng nhất của sản phẩm. Các bộ xử lý của Hielscher Ultrasonics là những hệ thống mạnh mẽ và có thể điều khiển chính xác, cho phép thiết lập chính xác các thông số quy trình và phát siêu âm công suất cao liên tục. Các thiết bị siêu âm công nghiệp của Hielscher có thể tạo ra biên độ rất cao. Biên độ lên đến 200µm có thể dễ dàng được duy trì liên tục khi vận hành 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có sẵn các đầu phát siêu âm được thiết kế theo yêu cầu. Độ bền vững của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép vận hành 24/7 với cường độ làm việc cao và trong các môi trường khắt khe.
Khách hàng của chúng tôi hài lòng với độ bền vững và độ tin cậy vượt trội của các hệ thống Hielscher Ultrasonics. Việc lắp đặt trong các lĩnh vực ứng dụng có cường độ làm việc cao (ví dụ: xử lý vật liệu nano ở quy mô lớn), trong các môi trường khắt khe và vận hành 24/7 bảo đảm quá trình xử lý hiệu quả và tiết kiệm. Việc tăng cường quy trình bằng siêu âm giúp giảm thời gian xử lý và đạt kết quả tốt hơn, tức là chất lượng cao hơn, hiệu suất thu hồi cao hơn và các sản phẩm đổi mới.

Thiết kế, sản xuất và tư vấn – Chất lượng sản xuất tại Đức

Các thiết bị siêu âm Hielscher nổi tiếng với các tiêu chuẩn chất lượng và thiết kế cao nhất. Độ bền vững và khả năng vận hành dễ dàng cho phép tích hợp thuận lợi các thiết bị siêu âm của chúng tôi vào các cơ sở công nghiệp. Các thiết bị siêu âm Hielscher dễ dàng đáp ứng các điều kiện khắc nghiệt và môi trường khắt khe.

Hielscher Ultrasonics là công ty được chứng nhận ISO và đặc biệt chú trọng đến các thiết bị siêu âm hiệu năng cao có công nghệ tiên tiến nhất và thân thiện với người dùng. Tất nhiên, các thiết bị siêu âm Hielscher tuân thủ CE và đáp ứng các yêu cầu của UL, CSA và RoHs.

Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: