الترسيب الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية

الترسيب الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية هو تقنية تخليق تجمع بين الكيمياء الصوتية والكيمياء الكهربائية لإنتاج المواد النانوية بكفاءة عالية وبطريقة صديقة للبيئة. ويُعرف الترسيب الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية بسرعته وبساطته وفعاليته، ويتيح تخليق الجسيمات النانوية والمركّبات النانوية مع التحكم في شكلها.

الترسيب الكهربائي للجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية

في الترسيب الكهربائي بالموجات فوق الصوتية (ويُسمّى أيضًا الترسيب الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية، أو الطلاء الكهربائي الكيميائي الصوتي، أو الترسيب الكهربائي الكيميائي الصوتي) بهدف تخليق الجسيمات النانوية، يُستخدم مسبار واحد أو مسباران للموجات فوق الصوتية (سونوترودات أو أبواق) بوصفها أقطابًا كهربائية. تتسم طريقة الترسيب الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية بكفاءة عالية، فضلًا عن بساطتها وأمان تشغيلها، مما يتيح تخليق الجسيمات النانوية والبنى النانوية بكميات كبيرة. إضافةً إلى ذلك، يُعدّ الترسيب الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية عمليةً مكثّفة، أي إن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تسرّع عملية التحليل الكهربائي بحيث يمكن إجراء التفاعل في ظروف أكثر فعالية.
يؤدي تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة على المعلّقات إلى زيادة كبيرة في عمليات انتقال الكتلة بفعل الجريان على النطاق العياني وقوى التجويف البينية على النطاق المجهري. وعلى الأقطاب فوق الصوتية، تزيل الاهتزازات فوق الصوتية والتجويف نواتج التفاعل باستمرار من سطح القطب. ومن خلال إزالة أي ترسّبات مسبّبة للتخميل، يظل سطح القطب متاحًا باستمرار لتخليق جسيمات جديدة.
يعزّز التجويف الناتج عن الموجات فوق الصوتية تكوّن جسيمات نانوية ملساء ومتجانسة تتوزع بصورة متجانسة في الطور السائل.

الترسيب الكهروكيميائي للجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية

عند تطبيق مجال فوق صوتي على إلكتروليت سائل، تعزّز ظواهر التجويف فوق الصوتي المتنوعة، مثل الجريان الصوتي والنفث المجهري وموجات الصدمة وتعزيز انتقال الكتلة من القطب وإليه وتنظيف السطح (إزالة طبقات التخميل)، عمليات الترسيب الكهربائي / الطلاء الكهربائي. وقد ثبتت بالفعل التأثيرات المفيدة للمعالجة بالموجات فوق الصوتية على الترسيب الكهربائي / الطلاء الكهربائي للعديد من الجسيمات النانوية، بما فيها الجسيمات النانوية المعدنية والجسيمات النانوية شبه الموصلة والجسيمات النانوية ذات اللبّ والغلاف والجسيمات النانوية المطعّمة.
تُظهر الجسيمات النانوية المعدنية المرسّبة كهربائيًا بطريقة كيميائية صوتية، مثل Cr وCu وFe، زيادة كبيرة في الصلادة، بينما يُظهر Zn زيادة في مقاومة التآكل.
خلّق Mastai وآخرون (1999) جسيمات CdSe النانوية عن طريق الترسيب الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية. ويتيح ضبط مختلف معلمات الترسيب الكهربائي والموجات فوق الصوتية تعديل الحجم البلوري لجسيمات CdSe النانوية من حالة غير متبلورة وفقًا للأشعة السينية وصولًا إلى 9 nm (طور السفاليريت).

أثبت Ashassi-Sorkhabi وBagheri (2014) مزايا التخليق الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية للبولي بيرول (PPy) على فولاذ St-12 في وسط من حمض الأكساليك باستخدام تقنية تثبيت التيار عند كثافة تيار تبلغ 4 mA/cm2. وأدى التطبيق المباشر للموجات فوق الصوتية منخفضة التردد باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP400S إلى بنى سطحية للبولي بيرول أكثر تراصًا وتجانسًا. وأظهرت النتائج أن مقاومة الطلاء (Rcoat) ومقاومة التآكل (Rcorr) ومقاومة Warburg للعينات المحضّرة بالموجات فوق الصوتية كانت أعلى من نظيراتها في البولي بيرول المخلّق دون موجات فوق صوتية. وأظهرت صور المجهر الإلكتروني الماسح التأثيرات الإيجابية للمعالجة بالموجات فوق الصوتية أثناء الترسيب الكهربائي على مورفولوجيا الجسيمات: تكشف النتائج أن التخليق الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية ينتج طلاءات ملساء وشديدة الالتصاق من البولي بيرول. وعند مقارنة نتائج الترسيب الكهربائي بالموجات فوق الصوتية بالترسيب الكهربائي التقليدي، يتضح أن الطلاءات المحضّرة بطريقة الكيمياء الكهربائية بالموجات فوق الصوتية تتمتع بمقاومة أعلى للتآكل. وتؤدي معالجة الخلية الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية إلى تعزيز انتقال الكتلة وتنشيط سطح القطب العامل. وتسهم هذه التأثيرات إسهامًا كبيرًا في تخليق البولي بيرول بكفاءة عالية وجودة مرتفعة.

صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لطلاءات (a) PPy و(b) البولي بيرول المرسّب كهروكيميائيًا بالموجات فوق الصوتية (PPy-US) على فولاذ St-12 (بتكبير 7500×)
(الدراسة والصور: © Ashassi-Sorkhabi وBagheri، 2014)

الترسيب الكهروكيميائي للمركّبات النانوية بالموجات فوق الصوتية

يُعدّ الجمع بين المعالجة بالموجات فوق الصوتية والترسيب الكهربائي فعّالًا، ويتيح تخليق المركّبات النانوية بسهولة.
خلّق Kharitonov وآخرون (2021) طلاءات مركّبة نانوية من Cu–Sn–TiO2 عن طريق الترسيب الكهربائي الكيميائي الصوتي من حمّام حمض الأكساليك يحتوي أيضًا على 4 g/dm3 من TiO2، مع التحريك الميكانيكي والتحريك بالموجات فوق الصوتية. وأُجريت المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية UP200Ht من Hielscher بتردد 26 kHz وقدرة 32 W/dm3. وأثبتت النتائج أن التحريك بالموجات فوق الصوتية يقلّل تكتّل جسيمات TiO2 ويتيح ترسيب مركّبات نانوية كثيفة من Cu–Sn–TiO2. وبالمقارنة مع التحريك الميكانيكي التقليدي، تتسم طلاءات Cu–Sn–TiO2 المرسّبة أثناء المعالجة بالموجات فوق الصوتية بتجانس أعلى وسطح أكثر نعومة. وفي المركّبات النانوية المعالَجة بالموجات فوق الصوتية، كانت غالبية جسيمات TiO2 مدمجة في مصفوفة Cu–Sn. ويؤدي إدخال التحريك بالموجات فوق الصوتية إلى تحسين التوزيع السطحي لجسيمات TiO2 النانوية وإعاقة تجمّعها.
وقد تبيّن أن الطلاءات المركّبة النانوية من Cu–Sn–TiO2 المتكوّنة بالترسيب الكهربائي بمساعدة الموجات فوق الصوتية تتمتع بخصائص ممتازة مضادة للميكروبات ضد بكتيريا E. coli.

صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لطلاءات Cu–Sn–TiO2 المرسّبة كهروكيميائيًا بالموجات فوق الصوتية عند كثافة تيار مهبطي تبلغ 0.5 A/dm2 و1.0 A/dm2.
(الدراسة والصور: © Kharitonov وآخرون، 2021)

معدات عالية الأداء للعمليات الكهروكيميائية بالموجات فوق الصوتية

توفّر Hielscher Ultrasonics معدات عالية الأداء تعمل بالموجات فوق الصوتية لترسيب المواد النانوية كهربائيًا / طلائها كهربائيًا بالموجات فوق الصوتية بطريقة موثوقة وفعّالة. وتشمل مجموعة المنتجات أنظمة موجات فوق صوتية عالية القدرة، وأقطابًا فوق صوتية، ومفاعلات وخلايا لتطبيقات الترسيب الكهروكيميائي بالموجات فوق الصوتية الخاصة بكم.