Die Lösung für Elektrodenoberflächenfouling

Elektrodenoberflächenfouling ist ein ernsthaftes Problem in vielen elektrochemischen Produktionsprozessen und in elektrochemischen Sensoren. Elektrodenverschmutzung kann die Leistung und Energieeffizienz einer elektrochemischen Zelle beeinträchtigen. Die Ultraschallbehandlung ist ein wirksames Mittel zur Vermeidung und Entfernung von Elektrodenfouling.

Elektrodenfouling reduziert den physikalischen Kontakt des Elektrolyten mit der Elektrode für den Elektronentransfer und verringert somit die elektrochemische Reaktionsgeschwindigkeit. Oft haftet die Foulingschicht an bestimmten Strukturmerkmalen der Elektrodenoberfläche als Ergebnis hydrophiler, hydrophober oder elektrostatischer Wechselwirkungen zwischen dem Fouling und der Elektrodenoberfläche.

Zu den Antifouling-Methoden gehört die Oberflächenmodifikation oder Beschichtung mit Polymeren oder kohlenstoffbasierten Materialien wie Kohlenstoffnanoröhren oder Graphen aufgrund ihrer großen Oberfläche, elektrokatalytischen Eigenschaften und Bewuchsfestigkeit. Alternativ können metallische Nanopartikel Antifouling-Eigenschaften in Kombination mit elektrokatalytischen Eigenschaften und hoher elektrischer Leitfähigkeit aufweisen.

Mechanische Ultraschallanregung ist eine alternative Antifouling-Methode.

Bei der Ultraschallbewegung für Antifouling werden hochfrequente, hochintensive Schallwellen in einer Flüssigkeit verwendet, um die Entfernung von Verschmutzungsmitteln von Oberflächen, die in eine ultraschallaktivierte Flüssigkeit eingetaucht sind, zu erleichtern oder zu verbessern. Die Oberflächenreinigung von Elektroden mit Ultraschall ist eine einzigartige Technologie zur Entfernung von Verschmutzungen von Elektrodenoberflächen. Die Ultraschall-Reinigungstechnologie ist in der Lage, in jede benetzte Elektrodenoberfläche einzudringen und diese zu reinigen, einschließlich Sacklöcher, Gewinde und Oberflächenkonturen.
Die Forderung nach einer verbesserten Sauberkeit der Elektrodenoberfläche hat die Entwicklung der Ultraschallanregung vorangetrieben. Heute ist es möglich, Elektroden mechanisch mit Ultraschallfrequenz anzuregen oder die Flüssigkeit in der Nähe der Elektrode zur indirekten Elektrodenoberflächenreinigung anzuregen.

Indirektes Antifouling der Elektrodenoberfläche

Beim indirekten Antifouling von Elektrodenoberflächen wird die Ultraschallenergie an die Flüssigkeit in der Nähe der Elektrode abgegeben. Diese Flüssigkeit absorbiert die Ultraschallenergie und überträgt einen Teil dieser Energie auf die Elektrodenoberfläche, wo die resultierende Ultraschallkavitation Verschmutzungsschichten abträgt. Im Allgemeinen ist diese indirekte Methode "sichtlinienorientiert", d. h. es muss ein direkter Zugang zur verschmutzten Oberfläche bestehen, damit sie wirksam ist.

Ultrasonic generator and transducer with electrically isolated ultrasonic probe as sono-electrode

Ultraschall-Elektrode (Kathode) für die Anwendung in der Sono-Elektrochemie

Definition: Elektrodenfouling
Elektrodenfouling beschreibt die Passivierung einer Elektrodenoberfläche durch eine Foulingschicht, die eine zunehmend undurchlässige Schicht auf der Elektrode bildet. Oft ist die Foulingschicht ein Nebenprodukt der elektrochemischen Reaktion.

Direktes Antifouling der Elektrodenoberfläche

Hielscher Ultrasonics bietet ein einzigartiges Ultraschalldesign, um Elektroden direkt anzuregen. Bei diesem Design werden die Ultraschallschwingungen direkt in die Elektrode eingekoppelt. Daher wird die Ultraschallenergie an die benetzte Elektrodenoberfläche abgegeben, wo die Oberflächenbeschleunigung und die kollabierenden Kavitationsblasen in Kontakt mit einer Oberfläche einen Hochdruckstrahl von Flüssigkeit gegen die Oberfläche erzeugen. Ultraschallanregung ist eine gute Methode zur Vermeidung und Entfernung von Verschmutzungsschichten.

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Wissenswertes

Weitere mögliche Auswirkungen der Ultraschallanregung auf ein elektrochemisches System sind:

  1. die Hydrodynamik und den Stofftransport zu verbessern;
  2. Konzentrationsgradienten und Umschaltung von kinetischen Regimen mit Auswirkung auf Mechanismus und Reaktionsprodukte beeinflussen;
  3. sonochemische Aktivierung von Reaktionen von elektrochemisch erzeugten Zwischenprodukten; und
  4. sonochemische Produktion von Spezies, die elektrochemisch unter Bedingungen reagieren, bei denen ein "stilles" System nicht elektrochemisch aktiv ist.

Arten der Elektrodenverschmutzung

Ablagerungen, die durch hydrophile Wechselwirkungen entstehen, sind tendenziell reversibler als Ablagerungen, die durch hydrophobe Wechselwirkungen entstehen. Elektroden mit eher hydrophoben Oberflächen, wie z. B. Elektroden auf Kohlenstoffbasis, können die Verschmutzung durch hydrophobe Komponenten, wie z. B. aromatische Verbindungen, gesättigte oder aliphatische Verbindungen oder Proteine, fördern. Biologische Makromoleküle, wie Proteine und andere biologische Materialien, Zellen, Zellfragmente oder DNA/RNA können ebenfalls ein Fouling der Elektrodenoberfläche verursachen.

Ultrasonic Cathode and/or Anode in Batch Setup

Hochleistungs-2000-Watt-Ultraschall-Kathode und/oder -Anode im Batch-Setup