Ηχοηλεκτροχημική εναπόθεση

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

Sono-ηλεκτροδιάθεση νανοσωματιδίων

Για τη sonoelectrodeposition (επίσης ηχοελετροχημική εναπόθεση, ηχοχημική ηλεκτρολυτική επίστρωση ή ηχοχημική ηλεκτροδιάθεση) με σκοπό τη σύνθεση νανοσωματιδίων, χρησιμοποιούνται ως ηλεκτρόδια ένας ή δύο υπερηχητικοί ανιχνευτές (sonotrodes ή κέρατα). 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 διαπροσωπικών δυνάμεων σπηλαίωσης. Σε ηλεκτρόδια υπερήχων (sono-ηλεκτρόδια), η υπερηχητική δόνηση και σπηλαίωση αφαιρεί 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 παράγεται από υπερήχους προάγει το σχηματισμό ομαλών και ομοιόμορφων νανοσωματιδίων τα οποία κατανέμονται ομοιογενώς στην υγρή φάση.

Ηχοηλεκτροχημική εναπόθεση νανοσωματιδίων

Όταν ένα υπερηχητικό πεδίο εφαρμόζεται σε έναν υγρό ηλεκτρολύτη, διάφορα φαινόμενα σπηλαίωσης υπερήχων όπως ακουστική ροή και μικρο-εκτόξευση, κύματα κλονισμού, ενίσχυση μεταφοράς μάζας από / προς το ηλεκτρόδιο και καθαρισμός επιφάνειας (αφαίρεση παθητικοποιητικών στρωμάτων) προάγουν τις διαδικασίες ηλεκτροδιάθεσης / ηλεκτρολυτικής επίστρωσης. Οι ευεργετικές επιδράσεις της υπερήχησης στην ηλεκτροδιάθεση / ηλεκτρολυτική επίστρωση έχουν ήδη αποδειχθεί για πολλά νανοσωματίδια, συμπεριλαμβανομένων μεταλλικών νανοσωματιδίων, νανοσωματιδίων ημιαγωγών, νανοσωματιδίων πυρήνα-κελύφους και ντοπαρισμένων νανοσωματιδίων.
Ηχοχημικά ηλεκτροκατατεθειμένα μεταλικά 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 ηχοηλεκτροχημικής εναπόθεσης. Οι προσαρμογές διαφόρων παραμέτρων ηλεκτροδιάθεσης και υπερήχων επιτρέπουν την τροποποίηση του μεγέθους κρυστάλλου των νανοσωματιδίων CdSe από ακτίνες Χ άμορφες έως 9 nm (φάση σφαλερίτη).

Οι Ashassi-Sorkhabi και Bagheri (2014) κατέδειξαν τα πλεονεκτήματα της sono-ηλεκτροχημικής σύνθεσης πολυπυρρολίου (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 πολυπυρρολίου. 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 συντεθειμένου πολυπυρρολίου. Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης οπτικοποίησαν τις θετικές επιδράσεις της υπερήχων κατά τη διάρκεια της ηλεκτροδιάθεσης στη μορφολογία των σωματιδίων: Τα αποτελέσματα αποκαλύπτουν ότι η ηχοηλεκτροχημική σύνθεση αποδίδει ισχυρά προσκολλημένες και ομαλές επικαλύψεις πολυπυρρολίου. Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα της sono-ηλεκτρο-εναπόθεσης με τη συμβατική ηλεκτροδιάθεση, 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 πολυπυρρολίου.

Εικόνες SEM από (α) PPy και (β) ηχοηλεκτροχημικές αποτιθέμενες επικαλύψεις πολυπυρρολίου (PPy-US) σε χάλυβα St-12 (μεγέθυνση 7500×)
(μελέτη και εικόνες: © Ασάσι-Σορκάμπι και Μπαγκέρι, 2014)

Ηχοηλεκτροχημική εναπόθεση νανοσύνθετων

Ο συνδυασμός υπερήχων με ηλεκτροδιάθεση είναι αποτελεσματικός και επιτρέπει την εύκολη σύνθεση νανοσύνθετων.
Οι Kharitonov et al. (2021) συνέθεσαν επικαλύψεις νανοσύνθετου Cu-Sn-TiO2 με ηχοχημική ηλεκτροδιάθεση από λουτρό οξαλικού οξέος που περιέχει 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 ανάδευση μειώνει τη συσσωμάτωση σωματιδίων TiO2 και επιτρέπει την εναπόθεση πυκνών νανοσύνθετων Cu-Sn-TiO2. Σε σύγκριση με τη συμβατική μηχανική ανάδευση, οι επικαλύψεις Cu-Sn-TiO2 που εναποτίθενται υπό κατεργασία με υπερήχους χαρακτηρίζονται από υψηλότερη ομοιογένεια και ομαλότερη επιφάνεια. Στα νανοσύνθετα με υπερήχους, η πλειοψηφία των σωματιδίων TiO2 ήταν ενσωματωμένα 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 ηλεκτροδιάθεση υποβοηθούμενη από υπερήχους παρουσιάζουν εξαιρετικές αντιμικροβιακές ιδιότητες έναντι των βακτηρίων E. coli.

Εικόνες SEM ηλεκτροχημικά εναποτιθέμενων επικαλύψεων Cu–Sn–TiO2 σε πυκνότητα καθοδικού ρεύματος 0,5 A/dm2 και 1,0 A/dm2.
(μελέτη και εικόνες: © Χαριτόνοφ κ.ά., 2021)

Sonoηλεκτροχημικός εξοπλισμός υψηλής απόδοσης

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