Sonoelektrochemická depozice

Sonoelektrochemická depozice je syntetická technika, která kombinuje sonochemii a elektrochemii pro vysoce efektivní a ekologickou výrobu nanomateriálů. Sonoelektrochemická depozice, která je známá jako rychlá, jednoduchá a účinná, umožňuje tvarově řízenou syntézu nanočástic a nanokompozitů.

Sono-elektrodepozice nanočástic

Pro sonoelektrodepozici (také sonoeletrochemické nanášení, sonochemické galvanické pokovování nebo sonochemické elektrodepozice) za účelem syntézy nanočástic se jako elektrody používá jedna nebo dvě ultrazvukové sondy (sonotrody nebo rohy). Metoda sonoelektrochemické depozice je vysoce účinná, jednoduchá a bezpečná na obsluhu, což umožňuje syntetizovat nanočástice a nanostruktury ve velkém množství. Sonoelektrochemické ukládání je navíc intenzivnější proces, což znamená, že sonikace urychluje proces elektrolýzy, takže reakce může probíhat za účinnějších podmínek.
Aplikace výkonového ultrazvuku na suspenze významně zvyšuje procesy přenosu hmoty v důsledku makroskopického proudění a mikroskopických mezifázových kavitačních sil. Na ultrazvukových elektrodách (sonoelektrodách) ultrazvukové vibrace a kavitace nepřetržitě odstraňují reakční produkty z povrchu elektrody. Odstraněním jakýchkoli pasivačních usazenin je povrch elektrody neustále k dispozici pro syntézu nových částic.
Ultrazvukem generovaná kavitace podporuje tvorbu hladkých a rovnoměrných nanočástic, které jsou homogenně distribuovány v kapalné fázi.

Sonoelektrochemická depozice nanočástic

Když je ultrazvukové pole aplikováno na kapalný elektrolyt, různé ultrazvukové kavitační jevy, jako je akustické proudění a mikrotryskání, rázové vlny, zvýšení přenosu hmoty z/na elektrodu a čištění povrchu (odstranění pasivačních vrstev), podporují procesy elektrodepozice / galvanického pokovování. Příznivé účinky sonikace na elektrodepozici / galvanické pokovování již byly prokázány u mnoha nanočástic, včetně kovových nanočástic, polovodičových nanočástic, nanočástic jádra a dopovaných nanočástic.
Sonochemicky elektrolyticky deponované kovové nanočástice, jako je Cr, Cu a Fe, vykazují významné zvýšení tvrdosti, zatímco Zn vykazuje zvýšenou odolnost proti korozi.
Mastai et al. (1999) syntetizovali nanočástice CdSe pomocí sonoelektrochemické depozice. Úpravy různých elektrodepozičních a ultrazvukových parametrů umožňují modifikovat velikost krystalů nanočástic CdSe od rentgenových amorfních až po 9 nm (sfaleritová fáze).

Ashassi-Sorkhabi a Bagheri (2014) prokázali výhody sono-elektrochemické syntézy polypyrrolu (PPy) na oceli St-12 v médiu kyseliny šťavelové pomocí galvanostatické techniky s proudovou hustotou 4 mA/cm2. Přímá aplikace nízkofrekvenčního ultrazvuku pomocí ultrazvuku UP400S vedla ke kompaktnějším a homogennějším povrchovým strukturám polypyrrolu. Výsledky ukázaly, že odolnost proti povlaku (Rcoat), odolnost proti korozi (Rcorr) a odolnost vůči Warburgu ultrazvukem připravených vzorků byly vyšší než u polypyrrolu, který nebyl syntetizován ultrazvukem. Snímky skenovací elektronové mikroskopie vizualizovaly pozitivní účinky ultrazvuku během elektrodepozice na morfologii částic: Výsledky ukazují, že sonoelektrochemická syntéza poskytuje silně přilnavé a hladké povlaky polypyrrolu. Porovnáním výsledků sono-elektro-depozice s konvenční elektrodepozicí je zřejmé, že povlaky připravené sonoelektrochemickou metodou mají vyšší odolnost proti korozi. Sonikace elektrochemického článku má za následek zvýšený přenos hmoty a aktivaci povrchu pracovní elektrody. Tyto účinky významně přispívají k vysoce účinné a vysoce kvalitní syntéze polypyrrolu.

SEM snímky (a) PPy a (b) sonoelektrochemicky deponovaných polypyrrolových (PPy-US) povlaků na oceli St-12 (zvětšení 7500×)
(studie a obrázky: © Ashassi-Sorkhabi a Bagheri, 2014)

Sonoelektrochemická depozice nanokompozitů

Kombinace ultrazvuku s elektrodepozicí je účinná a umožňuje snadnou syntézu nanokompozitů.
Kharitonov et al. (2021) syntetizovali nanokompozitní povlaky Cu–Sn–TiO2 sonochemickou elektrodepozicí z lázně s kyselinou šťavelovou, která navíc obsahuje 4 g/dm3 TiO2 za mechanického a ultrazvukového míchání. Ultrazvuková léčba byla provedena s Hielscher ultrasonikator UP200Ht při frekvenci 26 kHz a výkonu 32 W / dm3. Výsledky prokázaly, že ultrazvukové míchání snižuje aglomeraci částic TiO2 a umožňuje depozici hustých nanokompozitů Cu–Sn–TiO2. Ve srovnání s konvenčním mechanickým mícháním se povlaky Cu-Sn-TiO2 deponované pod ultrazvukem vyznačují vyšší homogenitou a hladším povrchem. V sonikovaných nanokompozitech byla většina částic TiO2 zabudována do matrice Cu–Sn. Zavedení ultrazvukového míchání zlepšuje povrchovou distribuci nanočástic TiO2 a brání agregaci.
Je ukázáno, že nanokompozitní povlaky Cu–Sn–TiO2 vytvořené ultrazvukovou elektrodepozicí vykazují vynikající antimikrobiální vlastnosti proti bakteriím E. coli.

SEM snímky sono-elektrochemicky deponovaných povlaků Cu–Sn–TiO2 při katodické proudové hustotě 0,5 A/dm2 a 1,0 A/dm2.
(studie a obrázky: © Kharitonov et al., 2021)

Vysoce výkonné sonoelektrochemické zařízení

Hielscher Ultrasonics dodává vysoce výkonné ultrazvukové zařízení pro spolehlivé a efektivní sono-elektrodepozice / sonogalické pokovování nanomateriálů. Sortiment zahrnuje vysoce výkonné ultrazvukové systémy, sonoelektrody, reaktory a články pro vaše sono-elektrochemické depoziční aplikace.