Sonoelektrokemisk aflejring

Sonoelektrokemisk aflejring er synteseteknik, der kombinerer sonokemi og elektrokemi for en yderst effektiv og miljøvenlig produktion af nanomaterialer. Kendt som hurtig, enkel og effektiv, sonoelektrokemisk aflejring giver mulighed for formstyret syntese af nanopartikler og nanokompositter.

Sono-elektrodeposition af nanopartikler

Til sonoelektrodeposition (også sonoeletrokemisk aflejring, sonokemisk galvanisering eller sonokemisk elektrodeposition) med det formål at syntetisere nanopartikler anvendes en eller to ultralydssonder (sonotroder eller horn) som elektroder. Metoden til sonoelektrokemisk aflejring er yderst effektiv såvel som enkel og sikker at betjene, hvilket gør det muligt at syntetisere nanopartikler og nanostrukturer i store mængder. Derudover er sonoelektrokemisk aflejring en intensiveret proces, hvilket betyder, at sonikering fremskynder elektrolyseprocessen, så reaktionen kan køres under mere effektive forhold.
Anvendelse af ultralyd på suspensioner øger masseoverførselsprocesserne betydeligt på grund af makroskopisk streaming og mikroskopiske grænsefladekavitationskræfter. På ultralydselektroder (sono-elektroder) fjerner ultralydsvibrationer og kavitation kontinuerligt reaktionsprodukterne fra elektrodeoverfladen. Ved at fjerne eventuelle passiverende aflejringer er elektrodeoverfladen kontinuerligt tilgængelig for ny partikelsyntese.
Ultralydsgenereret kavitation fremmer dannelsen af glatte og ensartede nanopartikler, som er homogent fordelt i væskefasen.

Sonoelektrokemisk aflejring af nanopartikler

Når et ultralydsfelt påføres en flydende elektrolyt, fremmer forskellige ultralydskavitationsfænomener såsom akustisk streaming og mikrojetting, chokbølger, masseoverførselsforbedring fra? til elektroden og overfladerensning (fjernelse af passiverende lag) elektrodeposition? galvaniseringsprocesser. De gavnlige virkninger af sonikering på elektrodeposition? galvanisering er allerede blevet påvist for adskillige nanopartikler, herunder metalliske nanopartikler, halvledernanopartikler, kerne-skal nanopartikler og doterede nanopartikler.
Sonokemisk elektroaflejrede mettaliske nanopartikler såsom Cr, Cu og Fe viser en signifikant stigning i hårdhed, mens Zn viser øget korrosionsbestandighed.
Mastai et al. (1999) syntetiserede CdSe-nanopartikler via sonoelektrokemisk aflejring. Justeringer af forskellige elektrodepositions- og ultralydsparametre gør det muligt at ændre krystalstørrelsen af CdSe-nanopartiklerne fra røntgenamorf op til 9 nm (sphaleritfase).

Ashassi-Sorkhabi og Bagheri (2014) demonstrerede fordelene ved sono-elektrokemisk syntese af polypyrrol (PPy) på St-12-stål i et oxalsyremedium ved hjælp af en galvanostatisk teknik med en strømtæthed på 4 mA/cm2. Direkte anvendelse af lavfrekvent ultralyd ved hjælp af ultralydsapparatet UP400S førte til mere kompakte og mere homogene overfladestrukturer af polypyrrol. Resultaterne viste, at belægningsmodstanden (Rcoat), korrosionsbestandigheden (Rcorr) og Warburg-modstanden for ultralydspræparerede prøver var højere end for ikke-ultralydsyntetiseret polypyrrol. Billeder af scanningselektronmikroskopi visualiserede de positive virkninger af ultralydbehandling under elektrodeposition på partikelmorfologien: Resultaterne afslører, at den sonoelektrokemiske syntese giver stærkt klæbende og glatte belægninger af polypyrrol. Ved at sammenligne resultaterne af sono-elektro-aflejring med konventionel elektroaflejring er det klart, at belægninger fremstillet ved sonoelektrokemi-metoden har højere korrosionsbestandighed. Sonikering af den elektrokemiske celle resulterer i forbedret masseoverførsel og aktivering af overfladen af arbejdselektroden. Disse virkninger bidrager væsentligt til en yderst effektiv syntese af høj kvalitet af polypyrrol.

SEM-billeder af (a) PPy og (b) sonoelektrokemisk aflejret polypyrrol (PPy-US) belægninger på St-12 stål (forstørrelse på 7500×)(studie og billeder: © Ashassi-Sorkhabi og Bagheri, 2014)

Sonoelektrokemisk aflejring af nanokompositter

Kombinationen af ultralydbehandling med elektrodeposition er effektiv og giver mulighed for en let syntese af nanokompositter.
Kharitonov et al. (2021) syntetiserede nanokomposit Cu-Sn-TiO2-belægninger ved sonokemisk elektrodeposition fra et oxalsyrebad, der desuden indeholder 4 g/dm3 TiO2 under mekanisk og ultralydsomrøring. Ultralydsbehandling blev udført med Hielscher ultralydsapparat UP200Ht ved 26 kHz frekvens og 32 W? dm3 effekt. Resultaterne viste, at ultralydomrøring reducerer agglomerering af TiO2-partikler og giver mulighed for aflejring af tætte Cu-Sn-TiO2-nanokompositter. Sammenlignet med konventionel mekanisk omrøring er Cu-Sn-TiO2-belægningerne, der er afsat under sonikering, kendetegnet ved højere homogenitet og glattere overflade. I de sonikerede nanokompositter blev størstedelen af TiO2-partiklerne indlejret i Cu-Sn-matrixen. Indførelsen af ultralydsomrøring forbedrer overfladefordelingen af TiO2-nanopartiklerne og hindrer aggregering.
Det er vist, at nanokomposit Cu-Sn-TiO2-belægninger dannet ved ultralydassisteret elektrodeposition udviser fremragende antimikrobielle egenskaber mod E. coli-bakterier.

SEM-billeder af sono-elektrokemisk aflejrede Cu-Sn-TiO2-belægninger ved katodisk strømtæthed på 0,5 A/dm2 og 1,0 A/dm2.(studie og billeder: © Kharitonov et al., 2021)

Højtydende sonoelektrokemisk udstyr

Hielscher Ultrasonics leverer højtydende ultralydsudstyr til en pålidelig og effektiv sono-elektrodeposition? sonoelektroplettering af nanomaterialer. Produktsortimentet omfatter ultralydssystemer med høj effekt, sono-elektroder, reaktorer og celler til din sono-elektrokemiske aflejringsapplikation.