Ηχοηλεκτροχημική εναπόθεση

Η Sonoelectrochemical deposition είναι τεχνική σύνθεσης, η οποία συνδυάζει sonochemistry και ηλεκτροχημεία, για μια εξαιρετικά αποτελεσματική και φιλική προς το περιβάλλον παραγωγή νανοϋλικών. Γνωστή ως γρήγορη, απλή και αποτελεσματική, η sonoelectrochemical εναπόθεση επιτρέπει την ελεγχόμενη σύνθεση νανοσωματιδίων και νανοσύνθετων υλικών.

Sono-ηλεκτροαπόθεση νανοσωματιδίων

Για sonoelectrodeposition (επίσης sonoeletrochemical εναπόθεση, sonochemical electroplating, ή sonochemical electrodeposition) με σκοπό τη σύνθεση νανοσωματιδίων, ένας ή δύο υπερηχητικοί ανιχνευτές (sonotrodes ή κέρατα) χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια. Η μέθοδος της sonoelectrochemical εναπόθεσης είναι εξαιρετικά αποτελεσματική, καθώς και απλή και ασφαλής στη λειτουργία, η οποία επιτρέπει τη σύνθεση νανοσωματιδίων και νανοδομών σε μεγάλες ποσότητες. Επιπλέον, sonoelectrochemical εναπόθεση είναι μια εντατικοποιημένη διαδικασία, που σημαίνει υπερήχηση επιταχύνει τη διαδικασία ηλεκτρόλυσης, έτσι ώστε η αντίδραση μπορεί να τρέξει υπό πιο αποτελεσματικές συνθήκες.
Η εφαρμογή υπερήχων ισχύος σε εναιωρήματα αυξάνει σημαντικά τις διαδικασίες μεταφοράς μάζας λόγω μακροσκοπικής ροής και μικροσκοπικών διεπιφανειακών δυνάμεων σπηλαίωσης. Στα ηλεκτρόδια υπερήχων (sono-ηλεκτρόδια), η υπερηχητική δόνηση και η σπηλαίωση απομακρύνουν συνεχώς τα προϊόντα αντίδρασης από την επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Αφαιρώντας τυχόν παθητικοποιητικές εναποθέσεις, η επιφάνεια του ηλεκτροδίου είναι συνεχώς διαθέσιμη για νέα σύνθεση σωματιδίων.
Η σπηλαίωση που δημιουργείται από υπερήχους προάγει το σχηματισμό ομαλών και ομοιόμορφων νανοσωματιδίων, τα οποία κατανέμονται ομοιογενώς στην υγρή φάση.

Σονοηλεκτροχημική εναπόθεση νανοσωματιδίων

Όταν ένα υπερηχητικό πεδίο εφαρμόζεται σε έναν υγρό ηλεκτρολύτη, διάφορα φαινόμενα σπηλαίωσης υπερήχων όπως ακουστική ροή και μικρο-εκτόξευση, κρουστικά κύματα, ενίσχυση μεταφοράς μάζας από / προς το ηλεκτρόδιο και καθαρισμός επιφάνειας (αφαίρεση παθητικοποιητικών στρωμάτων) προωθούν τις διαδικασίες ηλεκτροαπόθεσης / ηλεκτρολυτικής επιμετάλλωσης. Τα ευεργετικά αποτελέσματα της υπερήχησης στην ηλεκτροαπόθεση / ηλεκτρολυτική επίστρωση έχει ήδη αποδειχθεί για πολλά νανοσωματίδια, συμπεριλαμβανομένων των μεταλλικών νανοσωματιδίων, των νανοσωματιδίων ημιαγωγών, των νανοσωματιδίων πυρήνα και των ντοπαρισμένων νανοσωματιδίων.
Τα ηχοχημικά ηλεκτροεναποτιθέμενα μεταλλικά νανοσωματίδια όπως τα Cr, Cu και Fe παρουσιάζουν σημαντική αύξηση της σκληρότητας, ενώ το Zn παρουσιάζει αυξημένη αντοχή στη διάβρωση.
Οι Mastai et al. (1999) συνέθεσαν νανοσωματίδια CdSe μέσω sonoelectrochemical εναπόθεσης. Οι ρυθμίσεις διαφόρων παραμέτρων ηλεκτροαπόθεσης και υπερήχων επιτρέπουν την τροποποίηση του μεγέθους κρυστάλλου των νανοσωματιδίων CdSe από άμορφες ακτίνες Χ έως 9 nm (φάση σφαλερίτη).

Οι Ashassi-Sorkhabi και Bagheri (2014) απέδειξαν τα πλεονεκτήματα της sono-ηλεκτροχημικής σύνθεσης πολυπυρρόλης (PPy) σε χάλυβα St-12 σε μέσο οξαλικού οξέος χρησιμοποιώντας γαλβανοστατική τεχνική με πυκνότητα ρεύματος 4 mA/cm2. Η άμεση εφαρμογή υπερήχων χαμηλής συχνότητας χρησιμοποιώντας τον υπερηχητικό UP400S οδήγησε σε πιο συμπαγείς και πιο ομοιογενείς επιφανειακές δομές πολυπυρρόλης. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η αντίσταση επικάλυψης (Rcoat), η αντοχή στη διάβρωση (Rcorr) και η αντίσταση Warburg των υπερηχητικά παρασκευασμένων δειγμάτων ήταν υψηλότερες από αυτές του μη υπερηχητικά συντιθέμενου πολυπυρρίου. Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης οπτικοποιήθηκαν τα θετικά αποτελέσματα της υπερήχων κατά τη διάρκεια της ηλεκτροαπόθεσης στη μορφολογία σωματιδίων: Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι η sonoelectrochemical σύνθεση αποδίδει έντονα προσκολλημένες και ομαλές επικαλύψεις πολυπυρρόλης. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα της sono-ηλεκτρο-απόθεσης με τη συμβατική ηλεκτροαπόθεση, είναι σαφές ότι οι επικαλύψεις που παρασκευάζονται με τη μέθοδο sonoelectrochemistry έχουν υψηλότερη αντοχή στη διάβρωση. Κατεργασία με υπερήχους του ηλεκτροχημικού κυττάρου έχει ως αποτέλεσμα την ενισχυμένη μεταφορά μάζας και την ενεργοποίηση της επιφάνειας του ηλεκτροδίου εργασίας. Αυτά τα αποτελέσματα συμβάλλουν σημαντικά σε μια εξαιρετικά αποτελεσματική, υψηλής ποιότητας σύνθεση πολυπυρρόλης.

Εικόνες SEM (α) PPy και (β) sonoelectrochemial deposited polypyrrole (PPy-US) επιστρώσεων σε χάλυβα St-12 (μεγέθυνση 7500×)
(μελέτη και φωτογραφίες: © Ashassi-Sorkhabi και Bagheri, 2014)

Σονοηλεκτροχημική εναπόθεση νανοσύνθετων υλικών

Ο συνδυασμός υπερήχων με ηλεκτροαπόθεση είναι αποτελεσματικός και επιτρέπει μια εύκολη σύνθεση νανοσύνθετων υλικών.
Οι Kharitonov et al. (2021) συνέθεσαν νανοσύνθετες επικαλύψεις Cu–Sn–TiO2 με ηχοχημική ηλεκτροαπόθεση από λουτρό οξαλικού οξέος που περιείχε επιπλέον 4 g/dm3 TiO2 υπό μηχανική και υπερηχητική ανάδευση. Η θεραπεία με υπερήχους πραγματοποιήθηκε με τον υπερηχητικό Hielscher UP200Ht σε συχνότητα 26 kHz και ισχύ 32 W / dm3. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η υπερηχητική διέγερση μειώνει τη συσσώρευση σωματιδίων TiO2 και επιτρέπει την εναπόθεση πυκνών νανοσύνθετων υλικών Cu-Sn-TiO2. Σε σύγκριση με τη συμβατική μηχανική ανάδευση, οι επικαλύψεις Cu-Sn-TiO2 που εναποτίθενται υπό υπερήχους χαρακτηρίζονται από υψηλότερη ομοιογένεια και ομαλότερη επιφάνεια. Στα υπερηχητικά νανοσύνθετα, η πλειοψηφία των σωματιδίων TiO2 ενσωματώθηκαν στη μήτρα Cu-Sn. Η εισαγωγή της ανάδευσης υπερήχων βελτιώνει την επιφανειακή κατανομή των νανοσωματιδίων TiO2 και εμποδίζει τη συσσωμάτωση.
Έχει αποδειχθεί ότι οι νανοσύνθετες επικαλύψεις Cu-Sn-TiO2 που σχηματίζονται από ηλεκτροαπόθεση υποβοηθούμενη από υπερήχους παρουσιάζουν εξαιρετικές αντιμικροβιακές ιδιότητες έναντι των βακτηρίων E. coli.

Εικόνες SEM ηχητικά ηλεκτροχημικά εναποτιθέμενων επιστρώσεων Cu–Sn–TiO2 σε πυκνότητα καθοδικού ρεύματος 0,5 A/dm2 και 1,0 A/dm2.
(μελέτη και εικόνες: © Kharitonov et al., 2021)

Ηχοηλεκτροχημικός εξοπλισμός υψηλής απόδοσης

Hielscher Υπέρηχοι παρέχει υψηλής απόδοσης υπερήχων εξοπλισμό για μια αξιόπιστη και αποτελεσματική sono-ηλεκτροαπόθεση / sonoelectroplating των νανοϋλικών. Η γκάμα προϊόντων περιλαμβάνει συστήματα υπερήχων υψηλής ισχύος, sono-ηλεκτρόδια, αντιδραστήρες και κυψέλες για την εφαρμογή sono-ηλεκτροχημικής εναπόθεσης.