Sono-elektrochemische Synthese von Nanopartikeln

Die ultraschall-gestützte elektrochemische Synthese von Nanopartikeln ist ein hocheffizienter und kostengünstiger Weg, um hochqualitative Nanopartikel in industriellem Maßstab herzustellen. Die sonoelektrochemische Synthese, auch bekannt als Sonoelektrodeposition, ermöglicht die Herstellung von Nanostrukturen aus verschiedenen Materialien und in unterschiedlichen Formen.

Sonoelektrochemische Synthese und Sonoelektrodeposition von Nanopartikeln

Die sonoelektrochemische Synthese bzw. sonoelektrolytische Abscheidung (Galvanotechnik) ist eine Technik zur Herstellung von metallischen und Komposit-Nanopartikeln. Dabei wird der während des Elektroabscheidungsprozesses Hochleistungs-Ultraschall angewendet, um den Stoffaustausch zwischen den wachsenden Nanopartikel auf der Kathodenoberfläche und der umgebenden Lösung zu fördern.
Bei der sonoelektrochemischen Synthese bzw. sonoelektrolytischen Abscheidung von Nanopartikeln werden die Effekte der Sonochemie mit dem Prozess der Elektroabscheidung (Galvanotechnik) kombiniert. Die sonoelektrochemischen Effekte von intensiven Ultraschallwellen und der daraus resultierenden akustischen Kavitation auf chemische Reaktionen werden durch sehr hohe Temperaturen, Drücke und deren jeweilige Differenzen verursacht, welche in und um die implodierenden Kavitationsblasen entstehen. Durch die Kombination der Sonochemie mit der Elektrochemie bietet die Sonoelektrochemie gemeinsame Effekte wie verbesserten Stofftransport, Oberflächenreinigung der Elektrodenoberflächen, Entgasung der Lösung sowie erhöhte Reaktionsraten. Insgesamt zeichnet sich die sonoelektrochemische Nanopartikelsynthese (Sonoelektrodeposition, sonoelektrolytische Abscheidung) durch hohe Ausbeuten an hochwertigen Nanopartikeln aus, welche unter milden Bedingungen in einem schnellen und kosteneffizienten Prozess hergestellt werden können. Mit den Prozessparametern der Sonoelektrochemie und der Sonoelektrodeposition lassen sich sowohl die Partikelgröße als auch Morphologie beeinflussen.

Sonoelectrochemical system with electrically isolated ultrasonic probe as electrode for nanoparticle synthesis

Sonoelektrochemische Elektrode zur Synthese von Nanopartikeln (Sonoelektrodeposition)

Vorteile der sonoelektochemischen NP-Synthese

  • Hocheffizient
  • Anwendbar auf viele Materialien und Strukturen
  • schnelles Verfahren
  • "One-Pot"-Verfahren
  • milde Bedingungen
  • Kosteneffizient
  • sicher und einfach zu bedienen

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Wie funktioniert die Sonoelektrochemische Synthese / Sonoelektrolytische Abscheidung?

Der grundsätzliche Aufbau eines Sonoelektroabscheidungssystems für die sonoelektrochemische Nanopartikelsynthese ist recht einfach. Der einzige Unterschied zwischen einem sonoelektrolytischen Abscheidungsaufbau und einem elektrolytischen Abscheidungsaufbau ist die Tatsache, dass für die Elektrode(n) des sonoelektrolytischen Abscheidungssystems Ultraschallsonotrode(n) verwendet werden. Die Ultraschallsonotrode fungiert als Arbeitselektrode zur Synthese von metallischen Nanopartikeln. Einer der wichtigsten treibenden Effekte von Ultraschall bei der sonoelektrolytischen Abscheidung ist der erhöhte Stofftransport zwischen Elektrode (Kathode und/oder Anode) und der umgebenden Lösung.
Da die Prozessparameter der sonoelektrochemischen Synthese und der sonoelektrolytische Abscheidung genau kontrolliert und eingestellt werden können, können Nanopartikel mit kontrollierter Größe und Form synthetisiert werden. Die sonoelektrochemische Synthese und die sonoelektrolytische Abscheidung sind für eine breite Palette von metallischen Nanopartikeln und nanostrukturierten Komplexen anwendbar.

Die Vorteile der sonoelektrochemischen Nanopartikelsynthese

Die NTNU-Forschungsgruppe von Prof. Islam und Prof. Pollet fasst in ihrem Forschungsartikel (2019) die Hauptvorteile der sonoelektrochemischen Herstellung von Nanopartikeln wie folgt zusammen: "(i) eine starke Verbesserung des Massentransports in der Nähe der Elektrode, wodurch sich die Rate und manchmal auch der Mechanismus der elektrochemischen Reaktionen ändert, (ii) eine Modifikation der Oberflächenmorphologie durch Kavitationsstrahlen an der Elektroden-Elektrolyt-Grenzfläche, was in der Regel zu einer Vergrößerung der Oberfläche führt, und (iii) eine Verdünnung der Elektroden-Diffusionsschichtdicke und damit eine Ionenverarmung." (Islam et al. 2019)

Beispiele für erfolgreich synthetisierte Nanopartikel via sonoelektrochemische Reaktion

  1. metallische Nanopartikel
  2. Legierungs- und Halbleiter-Nanopartikel
  3. polymere Nanopartikel
  4. Nanokomposite

wie z.B.

  • Kupfer (Cu) Nanopartikel (NPs)
  • Magnetit (Fe3O4) NPs
  • Wolfram-Kobalt (W-Co) Legierung NPs
  • Zink (Zn)-Nanokomplexe
  • Gold (Au)-Nanorods/Nanostäbchen
  • ferromagnetische Fe45Pt55 NPs
  • Cadmiumtellurid (CdTe) Quantenpunkte (quantum dots = QDs)
  • Bleitellurid (PbTe)-Nanostäbchen
  • Fulleren-ähnliches Molybdändisulfid (MoS2)
  • Polyanilin (PA)-Nanopartikel
  • Poly(N-methylanilin) (PNMA) leitfähiges Polymer
  • Polypyrrol/Mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (MWCNTs)/Chitosan-Nanokompositen
Sonoelectrochemical synthesis of nanoparticles (electrodeposition)

Die Sonotroden der Ultraschallprozessoren UIP2000hdT (2000 Watt, 20kHz) dienen als Elektroden für die sonoelektrolytische Abscheidung von Nanopartikeln

Leistungsstarke sono-elektrochemische Sonotroden und Reaktoren

Hielscher Ultrasonics ist Ihr langjährig erfahrener Partner für Hochleistungs-Ultraschallsysteme in der Sonochemie und Sonoelektrochemie. Wir fertigen und vertreiben hochmoderne Ultraschallsonotroden/Ultraschallelektroden und Reaktoren, die weltweit für Heavy-Duty-Anwendungen in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden. Für die Sonoelektrochemie, sonoelektrolytische Abscheidung und Galvanotechnik hat Hielscher spezielle Ultraschallsonotroden, Reaktoren und Isolatoren entwickelt. Die Ultraschallsonotroden fungieren als Kathode und/oder Anode, während die Ultraschall-Reaktorzellen die optimalen Bedingungen für elektrochemische Reaktionen schaffen. Ultraschallelektroden und -zellen sind sowohl für galvanische / voltaische als auch für elektrolytische Systeme erhältlich.

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control.Alle Hielscher Ultraschallprozessoren sind präzise steuerbare und damit zuverlässige Werkzeuge in R&D und Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, welche Effizienz und Effektivität von sonochemisch und sonomechanisch induzierten Reaktionen beeinflussen. Alle Hielscher Ultrasonics‘ Ultraschallprozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Hielscher`s industriellen Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern und erzeugen die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle sonoelektrochamische Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschallprozessparameter über eine intelligente Software geben Ihnen die Möglichkeit, die sonoelektrochemische Reaktion präzise zu beeinflussen. Bei jedem Beschallungsdurchlauf werden alle Ultraschallparameter automatisch auf einer eingebauten SD-Karte aufgezeichnet, so dass jeder Beschallungsdurchgang ausgewertet und kontrolliert werden kann. Optimale Beschallung für effizienteste sonoelektrochemische Reaktionen!
Alle Geräte sind für den 24/7/365-Einsatz unter Volllast gebaut und ihre Robustheit und Zuverlässigkeit machen sie zum "Arbeitstier" in Ihrem elektrochemischen Prozess. Das macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Werkzeug, das die Anforderungen Ihres sonoelektrochemischen Prozesses erfüllt.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin konstruiert, gefertigt und gründlich getestet. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu einem Arbeitstier in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein selbstverständliches Qualitätsmerkmal der Hochleistungs-Ultraschallprozessoren und -reaktoren aus dem Hause Hielscher Ultrasonics.

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Sonoelectrochemical inline reactor with ultrasonic probe UIP2000hdT for the electrodeposition of nanoparticles

Die Sonotrode des Ultraschallgerätes UIP2000hdT dient als Elektrode in einem sonoelektrochemischen Aufbau zur Nanopartikelsynthese.

Literatur / Literaturhinweise



Hielscher Ultrasonics supplies high-performance ultrasonic homogenizers from lab to industrial size.

Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Tischgeräte bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.