Deposición sonoelectroquímica

La deposición sonoelectroquímica es una técnica de síntesis, que combina la sonoquímica y la electroquímica, para una producción de nanomateriales altamente eficiente y respetuosa con el medio ambiente. Reconocida por ser rápida, sencilla y eficaz, la deposición sonoelectroquímica permite la síntesis controlada por forma de nanopartículas y nanocompuestos.

Sonoelectrodeposición de nanopartículas

Para la sonoelectrodeposición (también deposición sonoeletroquímica, galvanoplastia sonoquímica o electrodeposición sonoquímica) con el fin de sintetizar nanopartículas, se utilizan una o dos sondas ultrasónicas (sonotrodos o bocinas) como electrodos. El método de deposición sonoelectroquímica es altamente eficiente, así como simple y seguro de operar, lo que permite sintetizar nanopartículas y nanoestructuras en grandes cantidades. Además, la deposición sonoelectroquímica es un proceso intensificado, lo que significa que la sonicación acelera el proceso de electrólisis para que la reacción pueda desarrollarse en condiciones más eficaces.
La aplicación de ultrasonidos de potencia a las suspensiones aumenta significativamente los procesos de transferencia de masa debido al flujo macroscópico y las fuerzas cavitacionales interfaciales microscópicas. En los electrodos ultrasónicos (sonoelectrodos), la vibración ultrasónica y la cavitación eliminan continuamente los productos de reacción de la superficie del electrodo. Al eliminar cualquier deposición pasivante, la superficie del electrodo está continuamente disponible para la síntesis de nuevas partículas.
La cavitación generada por ultrasonidos promueve la formación de nanopartículas lisas y uniformes que se distribuyen homogéneamente en la fase líquida.

Deposición sonoelectroquímica de nanopartículas

Cuando se aplica un campo ultrasónico a un electrolito líquido, diversos fenómenos de cavitación ultrasónica, como el flujo acústico y el micro-chorro, las ondas de choque, la mejora de la transferencia de masa desde/hacia el electrodo y la limpieza de la superficie (eliminación de capas pasivantes) promueven los procesos de electrodeposición/galvanoplastia. Los efectos beneficiosos de la sonicación sobre la electrodeposición/galvanoplastia ya se han demostrado en numerosas nanopartículas, incluidas las nanopartículas metálicas, las nanopartículas semiconductoras, las nanopartículas de núcleo y las nanopartículas dopadas.
Las nanopartículas metálicas electrodepositadas por Sonochem, como el Cr, el Cu y el Fe, muestran un aumento significativo de la dureza, mientras que el Zn muestra una mayor resistencia a la corrosión.
Mastai et al. (1999) sintetizaron nanopartículas de CdSe mediante deposición sonoelectroquímica. Los ajustes de varios parámetros de electrodeposición y ultrasonidos permiten modificar el tamaño de cristal de las nanopartículas de CdSe desde rayos X amorfos hasta 9 nm (fase esfalerita).

Ashassi-Sorkhabi y Bagheri (2014) demostraron las ventajas de la síntesis sonoelectroquímica de polipirrol (PPy) en acero St-12 en un medio de ácido oxálico utilizando una técnica galvanostática con una densidad de corriente de 4 mA/cm2. La aplicación directa de ultrasonidos de baja frecuencia con el ultrasonido UP400S dio lugar a estructuras superficiales de polipirrol más compactas y homogéneas. Los resultados mostraron que la resistencia al recubrimiento (Rcoat), la resistencia a la corrosión (Rcorr) y la resistencia a Warburg de las muestras preparadas por ultrasonidos eran mayores que las del polipirrol sintetizado por ultrasonidos. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido visualizaron los efectos positivos de la ultrasonicación durante la electrodeposición en la morfología de las partículas: Los resultados revelan que la síntesis sonoelectroquímica produce recubrimientos de polipirrol fuertemente adherentes y suaves. Comparando los resultados de la sonoelectrodeposición con la electrodeposición convencional, está claro que los recubrimientos preparados por el método sonoelectroquímico tienen una mayor resistencia a la corrosión. La sonicación de la celda electroquímica da como resultado una mayor transferencia de masa y la activación de la superficie del electrodo de trabajo. Estos efectos contribuyen significativamente a una síntesis altamente eficiente y de alta calidad de polipirrol.

Imágenes SEM de (a) PPy y (b) recubrimientos de polipirrol depositado sonoelectroquímico (PPy-US) en acero St-12 (aumento de 7500×)
(estudio y fotografías: © Ashassi-Sorkhabi y Bagheri, 2014)

Deposición sonoelectroquímica de nanocompuestos

La combinación de ultrasonidos con electrodeposición es eficaz y permite una síntesis sencilla de nanocompuestos.
Kharitonov et al. (2021) sintetizaron recubrimientos nanocompuestos de Cu-Sn-TiO2 mediante electrodeposición sonoquímica a partir de un baño de ácido oxálico que contiene además 4 g/dm3 de TiO2 bajo agitación mecánica y ultrasónica. El tratamiento ultrasónico se realizó con el ultrasonicador Hielscher UP200Ht a una frecuencia de 26 kHz y una potencia de 32 W/dm3. Los resultados demostraron que la agitación ultrasónica disminuye la aglomeración de partículas de TiO2 y permite la deposición de nanocompuestos densos de Cu-Sn-TiO2. En comparación con la agitación mecánica convencional, los recubrimientos de Cu-Sn-TiO2 depositados bajo sonicación se caracterizan por una mayor homogeneidad y una superficie más lisa. En los nanocompuestos sonicados, la mayoría de las partículas de TiO2 estaban incrustadas en la matriz de Cu-Sn. La introducción de la agitación ultrasónica mejora la distribución superficial de las nanopartículas de TiO2 e impide la agregación.
Se ha demostrado que los recubrimientos nanocompuestos de Cu-Sn-TiO2 formados por electrodeposición asistida por ultrasonidos presentan excelentes propiedades antimicrobianas contra la bacteria E. coli.

Imágenes SEM de recubrimientos de Cu-Sn-TiO2 depositados sonoelectroquímicamente a una densidad de corriente catódica de 0,5 A/dm2 y 1,0 A/dm2.
(estudio e imágenes: © Kharitonov et al., 2021)

Equipos sonoelectroquímicos de alto rendimiento

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