Sonoelektrochemische Abscheidung

Die sonoelektrochemische Abscheidung ist ein Syntheseverfahren, das Sonochemie und Elektrochemie zur hocheffizienten und umweltfreundlichen Herstellung von Nanomaterialien kombiniert. Die sonoelektrochemische Abscheidung ist als schnelles, einfaches und wirksames Verfahren bekannt und ermöglicht die Synthese von Nanopartikeln und Nanokompositen mit kontrollierter Form.

Sonoelektrodeposition von Nanopartikeln

Bei der Sonoelektrodeposition (auch sonoelektrochemische Abscheidung, sonochemische Galvanisierung oder sonochemische Elektrodeposition) zur Synthese von Nanopartikeln werden eine oder zwei Ultraschallsonden (Sonotroden oder Ultraschallhörner) als Elektroden eingesetzt. Das Verfahren der sonoelektrochemischen Abscheidung ist hocheffizient sowie einfach und sicher in der Anwendung und ermöglicht die Synthese von Nanopartikeln und Nanostrukturen in großen Mengen. Darüber hinaus ist die sonoelektrochemische Abscheidung ein intensivierter Prozess: Die Beschallung beschleunigt den Elektrolyseprozess, sodass die Reaktion unter wirksameren Bedingungen durchgeführt werden kann.
Die Anwendung von Leistungsultraschall auf Suspensionen verstärkt die Stofftransportprozesse erheblich durch makroskopische Strömungen und mikroskopische Kavitationskräfte an Grenzflächen. An Ultraschallelektroden (Sonoelektroden) entfernen Ultraschallschwingungen und Kavitation kontinuierlich die Reaktionsprodukte von der Elektrodenoberfläche. Durch die Entfernung sämtlicher passivierender Ablagerungen steht die Elektrodenoberfläche kontinuierlich für die Synthese neuer Partikel zur Verfügung.
Die durch Ultraschall erzeugte Kavitation fördert die Bildung glatter und gleichmäßiger Nanopartikel, die homogen in der Flüssigphase verteilt sind.

Sonoelektrochemische Abscheidung von Nanopartikeln

Wird ein Ultraschallfeld auf einen flüssigen Elektrolyten angewendet, fördern verschiedene Phänomene der Ultraschallkavitation wie akustische Strömungen und Mikrostrahlen, Stoßwellen, ein verstärkter Stofftransport von und zur Elektrode sowie die Oberflächenreinigung (Entfernung passivierender Schichten) die Elektrodepositions- und Galvanisierungsprozesse. Die positiven Auswirkungen der Beschallung auf die Elektrodeposition und Galvanisierung wurden bereits für zahlreiche Nanopartikel nachgewiesen, darunter metallische Nanopartikel, Halbleiternanopartikel, Kern-Schale-Nanopartikel und dotierte Nanopartikel.
Sonoelektrochemisch abgeschiedene metallische Nanopartikel wie Cr, Cu und Fe zeigen eine deutliche Zunahme der Härte, während Zn eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweist.
Mastai et al. (1999) synthetisierten CdSe-Nanopartikel durch sonoelektrochemische Abscheidung. Durch Anpassung verschiedener Elektrodepositions- und Ultraschallparameter lässt sich die Kristallgröße der CdSe-Nanopartikel von röntgenamorph bis zu 9 nm (Sphaleritphase) verändern.

Ashassi-Sorkhabi und Bagheri (2014) zeigten die Vorteile der sonoelektrochemischen Synthese von Polypyrrol (PPy) auf St-12-Stahl in einem Oxalsäuremedium unter Verwendung eines galvanostatischen Verfahrens mit einer Stromdichte von 4 mA/cm2. Die direkte Anwendung von niederfrequentem Ultraschall mit dem Ultraschallgerät UP400S führte zu kompakteren und homogeneren Oberflächenstrukturen des Polypyrrols. Die Ergebnisse zeigten, dass der Beschichtungswiderstand (Rcoat), der Korrosionswiderstand (Rcorr) und der Warburg-Widerstand der mit Ultraschall hergestellten Proben höher waren als die des ohne Ultraschall synthetisierten Polypyrrols. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen veranschaulichten die positiven Auswirkungen der Ultraschallbehandlung während der Elektrodeposition auf die Partikelmorphologie: Die Ergebnisse zeigen, dass die sonoelektrochemische Synthese stark haftende und glatte Polypyrrolbeschichtungen hervorbringt. Der Vergleich der Ergebnisse der Sonoelektrodeposition mit denen der konventionellen Elektrodeposition zeigt deutlich, dass mit dem sonoelektrochemischen Verfahren hergestellte Beschichtungen eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Die Beschallung der elektrochemischen Zelle führt zu einem verstärkten Stofftransport und zur Aktivierung der Oberfläche der Arbeitselektrode. Diese Effekte tragen wesentlich zu einer hocheffizienten Synthese von Polypyrrol hoher Qualität bei.

REM-Aufnahmen von (a) PPy-Beschichtungen und (b) sonoelektrochemisch abgeschiedenen Polypyrrolbeschichtungen (PPy-US) auf St-12-Stahl (7500× Vergrößerung)
(Studie und Bilder: © Ashassi-Sorkhabi und Bagheri, 2014)

Sonoelektrochemische Abscheidung von Nanokompositen

Die Kombination von Ultraschallbehandlung und Elektrodeposition ist wirksam und ermöglicht eine einfache Synthese von Nanokompositen.
Kharitonov et al. (2021) synthetisierten Cu–Sn–TiO2-Nanokompositbeschichtungen durch sonochemische Elektrodeposition aus einem Oxalsäurebad, das zusätzlich 4 g/dm3 TiO2 enthielt, unter mechanischer und ultraschallinduzierter Durchmischung. Die Ultraschallbehandlung wurde mit dem Ultraschallgerät UP200Ht von Hielscher bei einer Frequenz von 26 kHz und einer Leistung von 32 W/dm3 durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die ultraschallinduzierte Durchmischung die Agglomeration von TiO2-Partikeln verringert und die Abscheidung dichter Cu–Sn–TiO2-Nanokomposite ermöglicht. Im Vergleich zur konventionellen mechanischen Durchmischung zeichnen sich die unter Beschallung abgeschiedenen Cu–Sn–TiO2-Beschichtungen durch eine höhere Homogenität und eine glattere Oberfläche aus. In den beschallten Nanokompositen war der Großteil der TiO2-Partikel in die Cu–Sn-Matrix eingebettet. Der Einsatz ultraschallinduzierter Durchmischung verbessert die Verteilung der TiO2-Nanopartikel auf der Oberfläche und hemmt die Aggregation.
Es wird gezeigt, dass durch ultraschallgestützte Elektrodeposition gebildete Cu–Sn–TiO2-Nanokompositbeschichtungen hervorragende antimikrobielle Eigenschaften gegenüber E. coli-Bakterien aufweisen.

REM-Aufnahmen sonoelektrochemisch abgeschiedener Cu–Sn–TiO2-Beschichtungen bei kathodischen Stromdichten von 0,5 A/dm2 und 1,0 A/dm2.
(Studie und Bilder: © Kharitonov et al., 2021)

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