Sono-Elektrochemische Galvanik

Die sonoelektrochemische Abscheidung ist eine Synthesetechnik, welche Sonochemie und Elektrochemie kombiniert und eine hocheffiziente und umweltfreundliche Herstellung von Nanomaterialien ermöglicht. Die schnelle, einfache und effektive sonoelektrochemische Abscheidung ermöglicht die form-kontrollierte Synthese von Nanopartikeln und Nanokompositen.

Sono-Elektrochemische Galvanik für die Nanopartikel-Synthese

Bei der sonoelektrochemischen Abscheidung (auch sono-eletrochemische Galvanik oder sonochemische Galvanisierung) zur Synthese von Nanopartikeln werden eine oder zwei Ultraschallsonden (Sonotroden oder Hörner) als Elektroden verwendet. Die Methode der sonoelektrochemischen Abscheidung ist hocheffizient sowie einfach und sicher in der Anwendung und ermöglicht die zuverlässige Synthese von Nanopartikeln und Nanostrukturen in großen Mengen. Außerdem ist die sonoelektrochemische Abscheidung ein intensivierter Prozess, d.h. die Beschallung beschleunigt den Elektrolyseprozess, so dass die Reaktion unter effizienteren Bedingungen ablaufen kann.
Die Anwendung von Leistungsultraschall auf Suspensionen erhöht die Stoffübertragung aufgrund von makroskopischen Strömungen und mikroskopischen Grenzflächenkavitationskräften erheblich. Bei Ultraschallelektroden (Sonoelektroden) werden durch die Ultraschallvibration und Kavitation die Reaktionsprodukte kontinuierlich von der Elektrodenoberfläche entfernt. Durch die Entfernung von passivierenden Ablagerungen steht die Elektrodenoberfläche kontinuierlich für die Synthese neuer Partikel zur Verfügung.
Die durch Ultraschall erzeugte Kavitation fördert die Bildung von glatten und gleichmäßigen Nanopartikeln, die homogen in der flüssigen Phase verteilt sind.

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Die ultraschall-gestützte elektrochemische Abscheidung ist ein hocheffizientes Verfahren zur Herstellung von Nanopartikeln und nanostrukturierten Materialien.

2x Ultraschallprozessoren mit Sonotroden, die als Elektroden, d.h. Kathode und Anode, fungieren. Die Ultraschallschwingungen und Kavitation fördern elektrochemische Prozesse.

Dieses Video veranschaulicht den positiven Einfluss der direkten Elektroden-Ultraschallbeschallung auf den elektrischen Strom. Es verwendet einen Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) Ultraschallhomogenisator mit Elektrochemie-Upgrade und einer Titanelektrode/Sonotrode. Bei der Elektrolyse von verdünnter Schwefelsäure entstehen Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. Die Ultraschallbehandlung verringert die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche und verbessert den Stoffaustausch während der Elektrolyse.

Sono-Elektrochemie - Veranschaulichung des Einflusses von Ultraschall auf die Batch-Elektrolyse

Sono-elektrochemische Galvanik für die Herstellung von

  • Nanopartikel
  • Kern-Schale-Nanopartikel
  • mit Nanopartikeln dekorierter Träger
  • Nanostrukturen
  • Nanokomposite
  • Beschichtungen

Sonoelektrochemische Abscheidung von Nanopartikeln

Sono-elektrochemische Herstellung von Wasserstoff an einer Ultraschallkathode.Wenn flüssige Elektrolyte einem intensiven Ultraschallfeld ausgesetzt werden, treten verschiedene Ultraschall-Kavitationsphänomene wie akustische Strömungen und Mikrostrahlen, Schockwellen, Verstärkung des Massentransfers von/zur Elektrode und Oberflächenreinigung (Entfernung von Passivierungsschichten) auf. Diese Ultraschalleffekte intensivieren die Elektroabscheidung bzw. den Galvanisierungsprozess. Die positiven Auswirkungen der Beschallung auf die galvanische Abscheidung / Galvanisierung wurden bereits für zahlreiche Nanopartikel nachgewiesen, darunter metallische Nanopartikel, Halbleiter-Nanopartikel, Kern-Schale-Nanopartikel sowie dotierte Nanopartikel.
Sono-elektrochemisch abgeschiedene metallische Nanopartikel wie Cr, Cu und Fe zeigen eine deutlich höhere Härte, während ultraschall-galvanisch abgeschiedene Zn-Nanopartikel eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
Mastai et al. (1999) synthetisierten CdSe-Nanopartikel mittels sonoelektrochemischer Abscheidung. Durch Anpassung verschiedener Parameter der Galvanik und des Ultraschalls kann die Kristallgröße der CdSe-Nanopartikel von röntgenamorph bis hin zu 9 nm (Sphaleritphase) beeinflusst werden und einheitlich eine bestimmte Nanopartikelgröße synthetisiert werden.

Ashassi-Sorkhabi und Bagheri (2014) demonstrieren die Vorteile der sonoelektrochemischen Synthese von Polypyrrol (PPy) auf St-12-Stahl in einem Oxalsäuremedium unter Verwendung einer galvanostatischen Technik mit einer Stromdichte von 4 mA/cm2. Die direkte Anwendung von Niederfrequenz-Ultraschall mit dem Hielscher Ultraschallgerät UP400S führt zu kompakteren und homogeneren Polypyrrol -Oberflächenstrukturen. Die Ergebnisse zeigen, dass die Beschichtungsbeständigkeit (Rcoat), die Korrosionsbeständigkeit (Rcorr) und die Warburg-Beständigkeit der mit Ultraschall hergestellten Proben höher waren als die von nicht mit Ultraschall synthetisiertem Polypyrrol. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen machten die positiven Auswirkungen der Ultraschallbehandlung während der Elektroabscheidung auf die Partikelmorphologie sichtbar: Die Ergebnisse zeigen, dass die sonoelektrochemische Synthese zu stark haftenden und glatten Beschichtungen von Polypyrrol führt. Vergleicht man die Ergebnisse der Sono-Elektroabscheidung mit denen der konventionellen Galvanothechnik, so zeigt sich, dass die mit der sonoelektrochemischen Methode hergestellten Beschichtungen eine höhere Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Die Beschallung der elektrochemischen Zelle führt zu einem verbesserten Stoffaustausch und zu einer Aktivierung der Oberfläche der Arbeitselektrode. Diese Effekte tragen wesentlich zu einer hocheffizienten, qualitativ hochwertigen Synthese von Polypyrrol bei.

Mit Ultraschall galvanisch abgeschiedene Polypyrrol-Beschichtung auf St-12-Stahl.

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

Die sonoelektrochemische Abscheidung ist eine hocheffiziente Methode für die Synthese von Nanopartikeln und nanostrukturierten Materialien.

Die sonochemische Elektroabscheidung ermöglicht die Herstellung von Nanopartikeln, Kern-Schale-Nanopartikeln, von mit Nanopartikeln beschichteten Trägern und nanostrukturierten Materialien.
(Bild und Studie: ©Islam et al. 2019)

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Sono-Elektrochemische Abscheidung von Nanokompositen

Die Kombination von Ultraschallbehandlung und galvanischer Abscheidung ist äußerst effektiv und ermöglicht eine einfache Synthese von Nanokompositen.
Kharitonov et al. (2021) synthetisierten Nanokomposit-Schichten aus Cu-Sn-TiO2 via sonochemische Elektroabscheidung aus einem Oxalsäurebad, das zusätzlich 4 g/dm3 TiO2 enthielt. Dabei wurde sie Suspension entweder mit einem mechanischen Rührer oder einer Ultraschall-Sonotrode behandelt. Die Ultraschallbehandlung wurde mit dem Hielscher Ultraschallgerät UP200Ht bei einer Frequenz von 26 kHz und einer Leistung von 32 W/dm3 durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ultraschallbehandlung die Agglomeration der TiO2-Teilchen verringert und die Abscheidung von dichten Cu-Sn-TiO2-Nanokompositen ermöglicht. Im Vergleich zu konventioneller mechanischer Agitation zeichnen sich die unter Ultraschall abgeschiedenen Cu-Sn-TiO2-Schichten durch eine höhere Homogenität und eine glattere Oberfläche aus. In den beschallten Nanokompositen war die Mehrzahl der TiO2-Partikel in die Cu-Sn-Matrix eingebettet. Die Ultraschallb-Agitation verbessert die Oberflächenverteilung der TiO2-Nanopartikel und verhindert deren Aggregation.
Es wird gezeigt, dass Nanokomposit-Beschichtungen aus Cu-Sn-TiO2, die durch ultraschall-gestützte Elektroabscheidung hergestellt wurden, ausgezeichnete antimikrobielle Eigenschaften gegen E. coli-Bakterien aufweisen.

Die sonochemische Elektroabscheidung wird zur Herstellung von Nanomaterialien wie Kupfer-Zinn-Titandioxid-Beschichtungen (Cu-Sn-TiO2) verwendet. In der Studie wurde das Hielscher Ultraschallgerät UP200Ht als Sonicator verwendet.

SEM-Bilder von sonoelektrochemisch abgeschiedenen Cu-Sn-TiO2-Schichten bei einer kathodischen Stromdichte von 0,5 A/dm2 und 1,0 A/dm2.
(Studie und Bilder: © Kharitonov et al., 2021)

Ultraschallelektroden verbessern die Effizienz, den Ertrag und die Umwandlungsrate elektrochemischer Prozesse.

Die Ultraschallsonotrode fungiert als Elektrode. Die Ultraschallwellen fördern elektrochemische Reaktionen, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad, höheren Erträgen und schnelleren Umwandlungsraten führt.
Die Sonoelektrochemie verbessert die Prozesse der galvanischen Abscheidung erheblich.

Leistungsstarke Ultraschallsysteme und Sono-Elektroden für die Galvanik

Hielscher Ultrasonics liefert Hochleistungs-Ultraschallgeräte für eine zuverlässige und effiziente Sonoelektrochemische Abscheidung / ultraschall-gestützte Galvanik zur Herstellung von Nanomaterialien. Die Produktpalette umfasst Hochleistungs-Ultraschallsysteme, Sonoelektroden, Reaktoren und Zellen für Ihre sono-elektrochemische Abscheidungsanwendung.

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Sonoelektrochemischer Inline-Reaktor mit Ultraschall-Elektrode UIP2000hdT für die galvanische Abscheidung von Nanopartikeln.

Die Sonotrode des Ultraschallgeräts UIP2000hdT dient als Elektrode in einem sonoelektrochemischen Aufbau zur Synthese von Nanopartikeln.

Dieses Video veranschaulicht den positiven Einfluss der direkten Elektroden-Ultraschallbeschallung auf den elektrischen Strom in einem H-Cell-Elektrolyseaufbau. Es verwendet einen Hielscher UP100H (100 Watt, 30kHz) Ultraschallhomogenisator mit Elektrochemie-Upgrade und einer Titanelektrode/Sonotrode. Bei der Elektrolyse von verdünnter Schwefelsäure entstehen Wasserstoffgas und Sauerstoffgas. Die Ultraschallbehandlung verringert die Dicke der Diffusionsschicht an der Elektrodenoberfläche und verbessert den Stoffaustausch während der Elektrolyse.

Sono-Elektrochemie - Veranschaulichung des Einflusses der Ultraschallbehandlung auf die Wasserstoff-Elektrolyse



Literatur / Literaturhinweise


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

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.