Sonoelektrochemische Synthese von Nanopartikeln

Die ultraschallunterstützte elektrochemische Synthese von Nanopartikeln ist ein hochwirksames und kosteneffizientes Verfahren zur Herstellung hochwertiger Nanopartikel im großen Maßstab. Die sonoelektrochemische Synthese, auch als Sonoelektroabscheidung bekannt, ermöglicht die Herstellung von Nanostrukturen aus verschiedenen Materialien und in unterschiedlichen Formen.

Sonoelektrochemische Synthese und Sonoelektroabscheidung von Nanopartikeln

Die sonoelektrochemische Synthese oder Sonoelektroabscheidung ist ein Verfahren zur Herstellung metallischer Nanopartikel, bei dem während der Elektroabscheidung Hochleistungsultraschall eingesetzt wird, um den Stofftransport der wachsenden Nanopartikel an der Kathodenoberfläche und in der umgebenden Lösung zu fördern.
Bei der sonoelektrochemischen Synthese oder Sonoelektroabscheidung von Nanopartikeln werden die Wirkungen der Sonochemie mit dem Verfahren der Elektroabscheidung kombiniert. Die sonoelektrochemischen Wirkungen leistungsstarker Ultraschallwellen und der daraus entstehenden akustischen Kavitation auf chemische Reaktionen werden durch sehr hohe Temperaturen, Drücke und die jeweiligen Temperatur- und Druckunterschiede verursacht, die in und um die kollabierenden Kavitationsblasen entstehen. Durch die Verbindung von Sonochemie und Elektrochemie vereint die Sonoelektrochemie Wirkungen wie einen verbesserten Stofftransport, die Reinigung der Elektrodenoberflächen, die Entgasung der Lösung sowie erhöhte Reaktionsgeschwindigkeiten. Insgesamt zeichnet sich die sonoelektrochemische Nanopartikelsynthese (Sonoelektroabscheidung) durch hohe Ausbeuten hochwertiger Nanopartikel aus, die unter milden Bedingungen in einem schnellen und kosteneffizienten Verfahren hergestellt werden können. Über die Prozessparameter der Sonoelektrochemie und der Sonoelektroabscheidung lassen sich Partikelgröße und Morphologie beeinflussen.
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Wie funktioniert die sonoelektrochemische Synthese / Sonoelektroabscheidung?

Der grundlegende Aufbau eines Sonoelektroabscheidungssystems für die sonoelektrochemische Nanopartikelsynthese ist recht einfach. Der einzige Unterschied zwischen einem Aufbau zur Sonoelektroabscheidung und einem Aufbau zur Elektroabscheidung besteht darin, dass im Sonoelektroabscheidungssystem eine oder mehrere Sonotroden als Elektroden eingesetzt werden. Die Sonotrode dient als Arbeitselektrode zur Synthese metallischer Nanopartikel. Eine der wesentlichen Wirkungen des Ultraschalls bei der Sonoelektroabscheidung ist der verstärkte Stofftransport zwischen der Elektrode (Kathode und/oder Anode) und der umgebenden Lösung.
Da sich die Prozessparameter der sonoelektrochemischen Synthese und der Sonoelektroabscheidung präzise steuern und einstellen lassen, können Nanopartikel mit kontrollierter Größe und Form synthetisiert werden. Die sonoelektrochemische Synthese und die Sonoelektroabscheidung sind auf eine breite Palette metallischer Nanopartikel und nanostrukturierter Komplexe anwendbar.

Die Vorteile der sonoelektrochemischen Nanopartikelsynthese

Die NTNU-Forschungsgruppe von Prof. Islam und Prof. Pollet fasst in ihrem Forschungsartikel (2019) die wichtigsten Vorteile der sonoelektrochemischen Herstellung von Nanopartikeln wie folgt zusammen: „(i) eine erhebliche Verstärkung des Stofftransports in der Nähe der Elektrode, wodurch sich die Geschwindigkeit und mitunter auch der Mechanismus der elektrochemischen Reaktionen verändern, (ii) eine Veränderung der Oberflächenmorphologie durch Kavitationsjets an der Grenzfläche zwischen Elektrode und Elektrolyt, die in der Regel zu einer Vergrößerung der Oberfläche führt, und (iii) eine Verringerung der Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrode und damit eine Ionenverarmung.“ (Islam et al. 2019)

Leistungsstarke elektrochemische Sonotroden und Reaktoren

Hielscher Ultrasonics ist Ihr langjährig erfahrener Partner für Hochleistungsultraschallsysteme in der Sonochemie und Sonoelektrochemie. Wir fertigen und vertreiben modernste Sonotroden und Reaktoren, die weltweit für Anwendungen unter hoher Belastung in anspruchsvollen Umgebungen eingesetzt werden. Für die Sonoelektrochemie und Sonoelektroabscheidung hat Hielscher spezielle Sonotroden, Reaktoren und Isolatoren entwickelt. Die Sonotroden dienen als Kathode und/oder Anode, während die Ultraschallreaktorzellen optimale Bedingungen für elektrochemische Reaktionen bieten. Ultraschallelektroden und -zellen sind sowohl für galvanische / voltaische als auch für elektrolytische Systeme erhältlich.

Präzise steuerbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Ultraschallprozessoren von Hielscher lassen sich präzise steuern und sind damit zuverlässige Werkzeuge in Forschung, Entwicklung und Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, die die Effizienz und Wirksamkeit sonochemisch und sonomechanisch induzierter Reaktionen beeinflussen. Alle Prozessoren von Hielscher Ultrasonics ermöglichen eine präzise Einstellung der Amplitude. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle sonoelektrochemische Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos kontinuierlich im 24/7-Betrieb realisieren.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die kontinuierliche Überwachung der Ultraschallprozessparameter mithilfe intelligenter Software ermöglichen es Ihnen, die sonoelektrochemische Reaktion gezielt zu beeinflussen. Bei jedem Beschallungslauf werden sämtliche Ultraschallparameter automatisch auf einer integrierten SD-Karte aufgezeichnet, sodass jeder Lauf ausgewertet und kontrolliert werden kann. Optimale Beschallung für höchste Effizienz bei sonoelektrochemischen Reaktionen!
Alle Geräte sind für den 24/7/365-Einsatz unter Volllast ausgelegt und werden durch ihre Robustheit und Zuverlässigkeit zum Arbeitstier in Ihrem elektrochemischen Prozess. Damit sind die Ultraschallgeräte von Hielscher zuverlässige Arbeitsmittel, die Ihre Anforderungen an sonoelektrochemische Prozesse erfüllen.

Höchste Qualität – in Deutschland entwickelt und gefertigt

Als familiengeführtes Unternehmen in Familienbesitz legt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren größten Wert auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden an unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin, Deutschland, entwickelt, gefertigt und gründlich geprüft. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Ultraschallgeräte von Hielscher machen sie zu Arbeitstieren in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist für die Hochleistungssonotroden und -reaktoren von Hielscher selbstverständlich.

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