Ηχοηλεκτροχημική απόθεση

Η ηχοηλεκτροχημική απόθεση είναι μια τεχνική σύνθεσης που συνδυάζει την ηχοχημεία και την ηλεκτροχημεία για την εξαιρετικά αποδοτική και φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή νανοϋλικών. Γνωστή ως γρήγορη, απλή και αποτελεσματική μέθοδος, η ηχοηλεκτροχημική απόθεση επιτρέπει τη σύνθεση νανοσωματιδίων και νανοσύνθετων υλικών με ελεγχόμενο σχήμα.

Ηλεκτροαπόθεση νανοσωματιδίων με υπερήχους

Για την ηλεκτροαπόθεση με υπερήχους (γνωστή επίσης ως ηχοηλεκτροχημική απόθεση, ηχοχημική ηλεκτροεπιμετάλλωση ή ηχοχημική ηλεκτροαπόθεση) με σκοπό τη σύνθεση νανοσωματιδίων, χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια ένας ή δύο καθετήρες υπερήχων (ηχοτρόδια ή χοάνες). Η μέθοδος της ηχοηλεκτροχημικής απόθεσης είναι εξαιρετικά αποδοτική, καθώς και απλή και ασφαλής στη χρήση, επιτρέποντας τη σύνθεση νανοσωματιδίων και νανοδομών σε μεγάλες ποσότητες. Επιπλέον, η ηχοηλεκτροχημική απόθεση είναι μια εντατικοποιημένη διεργασία, δηλαδή η κατεργασία με υπερήχους επιταχύνει τη διεργασία ηλεκτρόλυσης, ώστε η αντίδραση να μπορεί να πραγματοποιηθεί υπό αποτελεσματικότερες συνθήκες.
Η εφαρμογή υπερήχων ισχύος σε αιωρήματα ενισχύει σημαντικά τις διεργασίες μεταφοράς μάζας λόγω της μακροσκοπικής ροής και των μικροσκοπικών διεπιφανειακών δυνάμεων σπηλαίωσης. Στα ηλεκτρόδια υπερήχων (ηχοηλεκτρόδια), η δόνηση υπερήχων και η σπηλαίωση απομακρύνουν συνεχώς τα προϊόντα της αντίδρασης από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Με την απομάκρυνση οποιωνδήποτε αποθέσεων που προκαλούν παθητικοποίηση, η επιφάνεια του ηλεκτροδίου παραμένει συνεχώς διαθέσιμη για τη σύνθεση νέων σωματιδίων.
Η σπηλαίωση που δημιουργείται από τους υπερήχους προάγει τον σχηματισμό λείων και ομοιόμορφων νανοσωματιδίων, τα οποία κατανέμονται ομοιογενώς στην υγρή φάση.

Ηχοηλεκτροχημική απόθεση νανοσωματιδίων

Όταν ένα πεδίο υπερήχων εφαρμόζεται σε έναν υγρό ηλεκτρολύτη, διάφορα φαινόμενα σπηλαίωσης λόγω υπερήχων, όπως η ακουστική ροή και ο σχηματισμός μικροπιδάκων, τα κρουστικά κύματα, η ενίσχυση της μεταφοράς μάζας από και προς το ηλεκτρόδιο και ο καθαρισμός της επιφάνειας (απομάκρυνση των στρωμάτων παθητικοποίησης), προάγουν τις διεργασίες ηλεκτροαπόθεσης / ηλεκτροεπιμετάλλωσης. Οι ευεργετικές επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους στην ηλεκτροαπόθεση / ηλεκτροεπιμετάλλωση έχουν ήδη καταδειχθεί για πολυάριθμα νανοσωματίδια, συμπεριλαμβανομένων μεταλλικών νανοσωματιδίων, νανοσωματιδίων ημιαγωγών, νανοσωματιδίων πυρήνα–κελύφους και νανοσωματιδίων με προσμίξεις.
Τα μεταλλικά νανοσωματίδια που αποτίθενται με ηχοχημική ηλεκτροαπόθεση, όπως τα Cr, Cu και Fe, παρουσιάζουν σημαντική αύξηση της σκληρότητας, ενώ ο Zn παρουσιάζει αυξημένη αντοχή στη διάβρωση.
Οι Mastai et al. (1999) συνέθεσαν νανοσωματίδια CdSe μέσω ηχοηλεκτροχημικής απόθεσης. Η ρύθμιση διαφόρων παραμέτρων ηλεκτροαπόθεσης και υπερήχων επιτρέπει τη μεταβολή του μεγέθους των κρυστάλλων των νανοσωματιδίων CdSe από άμορφη κατάσταση κατά την εξέταση με ακτίνες Χ έως και 9 nm (φάση σφαλερίτη).

Οι Ashassi-Sorkhabi και Bagheri (2014) κατέδειξαν τα πλεονεκτήματα της ηχοηλεκτροχημικής σύνθεσης πολυπυρρολίου (PPy) πάνω σε χάλυβα St-12 σε μέσο οξαλικού οξέος, χρησιμοποιώντας γαλβανοστατική τεχνική με πυκνότητα ρεύματος 4 mA/cm2. Η άμεση εφαρμογή υπερήχων χαμηλής συχνότητας με τη συσκευή υπερήχων UP400S οδήγησε σε πιο συμπαγείς και πιο ομοιογενείς επιφανειακές δομές πολυπυρρολίου. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αντίσταση της επίστρωσης (Rcoat), η αντίσταση στη διάβρωση (Rcorr) και η αντίσταση Warburg των δειγμάτων που παρασκευάστηκαν με υπερήχους ήταν υψηλότερες από τις αντίστοιχες του πολυπυρρολίου που συντέθηκε χωρίς υπερήχους. Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης αποτύπωσαν τις θετικές επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους κατά την ηλεκτροαπόθεση στη μορφολογία των σωματιδίων: τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι η ηχοηλεκτροχημική σύνθεση δίνει λείες επιστρώσεις πολυπυρρολίου με ισχυρή πρόσφυση. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων της ηλεκτροαπόθεσης με υπερήχους με τη συμβατική ηλεκτροαπόθεση δείχνει σαφώς ότι οι επιστρώσεις που παρασκευάζονται με την ηχοηλεκτροχημική μέθοδο έχουν υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση. Η κατεργασία της ηλεκτροχημικής κυψελίδας με υπερήχους έχει ως αποτέλεσμα την ενίσχυση της μεταφοράς μάζας και την ενεργοποίηση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου εργασίας. Αυτές οι επιδράσεις συμβάλλουν σημαντικά σε μια εξαιρετικά αποδοτική σύνθεση πολυπυρρολίου υψηλής ποιότητας.

Εικόνες SEM επιστρώσεων (a) PPy και (b) πολυπυρρολίου αποτιθέμενου με ηχοηλεκτροχημική απόθεση (PPy-US) πάνω σε χάλυβα St-12 (μεγέθυνση 7500×)
(μελέτη και εικόνες: © Ashassi-Sorkhabi και Bagheri, 2014)

Ηχοηλεκτροχημική απόθεση νανοσύνθετων υλικών

Ο συνδυασμός της κατεργασίας με υπερήχους με την ηλεκτροαπόθεση είναι αποτελεσματικός και επιτρέπει την εύκολη σύνθεση νανοσύνθετων υλικών.
Οι Kharitonov et al. (2021) συνέθεσαν νανοσύνθετες επιστρώσεις Cu–Sn–TiO2 με ηχοχημική ηλεκτροαπόθεση από λουτρό οξαλικού οξέος που περιείχε επιπλέον 4 g/dm3 TiO2, υπό μηχανική ανάδευση και ανάδευση με υπερήχους. Η κατεργασία με υπερήχους πραγματοποιήθηκε με τη συσκευή υπερήχων UP200Ht της Hielscher, σε συχνότητα 26 kHz και ισχύ 32 W/dm3. Τα αποτελέσματα κατέδειξαν ότι η ανάδευση με υπερήχους μειώνει τη συσσωμάτωση των σωματιδίων TiO2 και επιτρέπει την απόθεση πυκνών νανοσύνθετων υλικών Cu–Sn–TiO2. Σε σύγκριση με τη συμβατική μηχανική ανάδευση, οι επιστρώσεις Cu–Sn–TiO2 που αποτίθενται υπό κατεργασία με υπερήχους χαρακτηρίζονται από υψηλότερη ομοιογένεια και πιο λεία επιφάνεια. Στα νανοσύνθετα υλικά που υποβλήθηκαν σε κατεργασία με υπερήχους, η πλειονότητα των σωματιδίων TiO2 ενσωματώθηκε στη μήτρα Cu–Sn. Η εισαγωγή ανάδευσης με υπερήχους βελτιώνει την επιφανειακή κατανομή των νανοσωματιδίων TiO2 και παρεμποδίζει τη συνένωσή τους.
Καταδεικνύεται ότι οι νανοσύνθετες επιστρώσεις Cu–Sn–TiO2 που σχηματίζονται με ηλεκτροαπόθεση υποβοηθούμενη από υπερήχους παρουσιάζουν εξαιρετικές αντιμικροβιακές ιδιότητες έναντι των βακτηρίων E. coli.

Εικόνες SEM επιστρώσεων Cu–Sn–TiO2 που αποτέθηκαν ηχοηλεκτροχημικά με πυκνότητα καθοδικού ρεύματος 0,5 A/dm2 και 1,0 A/dm2.
(μελέτη και εικόνες: © Kharitonov et al., 2021)

Ηχοηλεκτροχημικός εξοπλισμός υψηλών επιδόσεων

Η Hielscher Ultrasonics παρέχει εξοπλισμό υπερήχων υψηλών επιδόσεων για αξιόπιστη και αποδοτική ηλεκτροαπόθεση / ηλεκτροεπιμετάλλωση νανοϋλικών με υπερήχους. Η γκάμα προϊόντων περιλαμβάνει συστήματα υπερήχων υψηλής ισχύος, ηχοηλεκτρόδια, αντιδραστήρες και κυψελίδες για την εφαρμογή ηχοηλεκτροχημικής απόθεσης που σας ενδιαφέρει.