Die Lösung gegen Belagbildung auf Elektrodenoberflächen

Die Belagbildung auf Elektrodenoberflächen ist ein ernstes Problem in vielen elektrochemischen Produktionsprozessen und bei elektrochemischen Sensoren. Elektrodenbeläge können die Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz einer elektrochemischen Zelle beeinträchtigen. Die Ultraschallbehandlung ist ein wirksames Mittel, um Elektrodenbeläge zu vermeiden und zu entfernen.

Elektrodenbeläge verringern den für den Elektronentransfer erforderlichen physikalischen Kontakt zwischen Elektrolyt und Elektrode und reduzieren dadurch die elektrochemische Reaktionsgeschwindigkeit. Häufig haften die belagbildenden Stoffe an bestimmten Strukturen der Elektrodenoberfläche aufgrund hydrophiler, hydrophober oder elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen diesen Stoffen und der Elektrodenoberfläche.

Zu den Methoden gegen Belagbildung gehören die Oberflächenmodifikation oder die Beschichtung mit Polymeren oder kohlenstoffbasierten Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen aufgrund ihrer großen Oberfläche, ihrer elektrokatalytischen Eigenschaften und ihrer Beständigkeit gegen Belagbildung. Alternativ können metallische Nanopartikel belaghemmende Eigenschaften mit elektrokatalytischen Eigenschaften und hoher elektrischer Leitfähigkeit verbinden.

Die mechanische Anregung durch Ultraschall ist eine alternative Methode gegen Belagbildung.

Bei der Ultraschallanregung gegen Belagbildung werden hochfrequente Schallwellen hoher Intensität in einer Flüssigkeit eingesetzt, um die Entfernung belagbildender Stoffe von Oberflächen zu erleichtern oder zu verbessern, die in eine durch Ultraschall aktivierte Flüssigkeit eingetaucht sind. Die Reinigung von Elektrodenoberflächen mit Ultraschall ist eine Technologie, die hinsichtlich ihrer Fähigkeit, belagbildende Stoffe von Elektrodenoberflächen zu entfernen, einzigartig ist. Die Ultraschallreinigung kann jede benetzte Elektrodenoberfläche erreichen und reinigen, einschließlich Sacklöchern, Gewinden und Oberflächenkonturen.
Die Anforderungen an eine verbesserte Sauberkeit von Elektrodenoberflächen haben die Entwicklung der Ultraschallanregung vorangetrieben. Heute ist es möglich, Elektroden mechanisch mit Ultraschallfrequenz anzuregen oder die Flüssigkeit in der Nähe der Elektrode zur indirekten Reinigung der Elektrodenoberfläche anzuregen.

Indirekte Vermeidung und Entfernung von Belägen auf Elektrodenoberflächen

Bei der indirekten Vermeidung und Entfernung von Belägen auf Elektrodenoberflächen wird die Ultraschallleistung in die Flüssigkeit nahe der Elektrode eingekoppelt. Diese Flüssigkeit absorbiert die Ultraschallleistung und überträgt einen Teil dieser Leistung auf die Elektrodenoberfläche, wo die entstehende Ultraschallkavitation die Belagschichten entfernt. Im Allgemeinen beruht diese indirekte Methode auf einer „Sichtverbindung“; das heißt, die verunreinigte Oberfläche muss direkt zugänglich sein, damit die Methode wirksam ist.

Direkte Vermeidung und Entfernung von Belägen auf Elektrodenoberflächen

Hielscher Ultrasonics bietet eine einzigartige Ultraschallkonstruktion zur direkten Anregung von Elektroden. Bei dieser Konstruktion werden die Ultraschallschwingungen direkt in die Elektrode eingekoppelt. Dadurch wird die Ultraschallleistung auf die benetzte Elektrodenoberfläche übertragen, wo die Oberflächenbeschleunigung und kollabierende Kavitationsblasen in Kontakt mit einer Oberfläche einen unter hohem Druck stehenden Flüssigkeitsstrahl erzeugen, der auf die Oberfläche gerichtet ist. Die durch Ultraschall erzeugte Strahlwirkung ist eine gute Methode, um Belagschichten zu vermeiden und zu entfernen.

Wissenswertes

Weitere mögliche Auswirkungen der Ultraschallanregung auf ein elektrochemisches System sind:

1. Verbesserung der Hydrodynamik und des Stofftransports;
2. Beeinflussung von Konzentrationsgradienten und des Wechsels zwischen kinetischen Regimen mit Auswirkungen auf den Mechanismus und die Reaktionsprodukte;
3. sonochemische Aktivierung von Reaktionen elektrochemisch erzeugter intermediärer Spezies; und
4. sonochemische Erzeugung von Spezies, die unter Bedingungen elektrochemisch reagieren, unter denen das System ohne Ultraschall nicht elektrochemisch aktiv ist.

Arten der Belagbildung auf Elektroden

Belagbildung infolge hydrophiler Wechselwirkungen ist tendenziell leichter reversibel als Belagbildung infolge hydrophober Wechselwirkungen. Elektroden mit stärker hydrophoben Oberflächen, beispielsweise kohlenstoffbasierte Elektroden, können die Bildung von Belägen mit hydrophoben Bestandteilen wie aromatischen Verbindungen, gesättigten oder aliphatischen Verbindungen oder Proteinen begünstigen. Auch biologische Makromoleküle wie Proteine sowie andere biologische Materialien, Zellen, Zellfragmente oder DNA/RNA können Beläge auf Elektrodenoberflächen verursachen.