Deposición sonoelectroquímica

La deposición sonoelectroquímica es una técnica de síntesis que combina la sonoquímica y la electroquímica para producir nanomateriales de forma muy eficiente y respetuosa con el medio ambiente. Conocida por su rapidez, sencillez y eficacia, la deposición sonoelectroquímica permite sintetizar nanopartículas y nanocompuestos de forma controlada.

Sonoelectrodeposición de nanopartículas

Para la sonoelectrodeposición (también deposición sonoelectroquímica, galvanoplastia sonoquímica o electrodeposición sonoquímica) con el fin de sintetizar nanopartículas, se utilizan una o dos sondas ultrasónicas (sonotrodos o cuernos) como electrodos. El método de deposición sonoelectroquímica es muy eficaz, además de sencillo y seguro de manejar, 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 llevarse a cabo 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 a las fuerzas microscópicas de cavitación interfacial. 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 favorece la formación de nanopartículas lisas y uniformes que se distribuyen homogéneamente en la fase líquida.

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La electrodeposición ultrasónica es un método muy eficaz para la producción de nanopartículas y materiales nanoestructurados.

2x procesadores ultrasónicos con sondas, que actúan como electrodos, es decir, cátodo y ánodo. La vibración ultrasónica y la cavitación favorecen los procesos electroquímicos.

Este vídeo ilustra la influencia positiva de la ultrasonicación directa del electrodo en la corriente eléctrica. Utiliza un homogeneizador ultrasónico Hielscher UP100H (100 vatios, 30 kHz) con electroquímica-upgrade y un electrodo/sonotrodo de titanio. La electrólisis del ácido sulfúrico diluido produce gas hidrógeno y gas oxígeno. La ultrasonicación reduce el espesor de la capa de difusión en la superficie del electrodo y mejora la transferencia de masa durante la electrólisis.

Sonoelectroquímica - Ilustración de la influencia de los ultrasonidos en la electrólisis por lotes

Electrodeposición sonoquímica de

  • nanopartículas
  • nanopartículas core-shell
  • Soporte decorado con nanopartículas
  • Nanoestructuras
  • nanocompuestos
  • Recubrimientos

Deposición sonoelectroquímica de nanopartículas

Producción sonoelectroquímica de hidrógeno en un cátodo ultrasónico.Cuando se aplica un campo ultrasónico a un electrolito líquido, diversos fenómenos de cavitación ultrasónica, como el chorro acústico y el microchorro, las ondas de choque, la mejora de la transferencia de masa desde/hacia el electrodo y la limpieza de la superficie (eliminación de las capas pasivantes) favorecen los procesos de electrodeposición/electrodeposición. Los efectos beneficiosos de la sonicación en la electrodeposición/galvanoplastia ya se han demostrado para numerosas nanopartículas, incluidas nanopartículas metálicas, nanopartículas semiconductoras, nanopartículas core-shell y nanopartículas dopadas.
Las nanopartículas metálicas electrodepositadas sonoquímicamente, como Cr, Cu y 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 del cristal de las nanopartículas de CdSe desde amorfo a los rayos X hasta 9 nm (fase esfalerita).

Ashassi-Sorkhabi y Bagheri (2014) demostraron las ventajas de la síntesis sonoelectroquímica de polipirrol (PPy) sobre 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 mediante el ultrasonicador UP400S dio lugar a estructuras superficiales de polipirrol más compactas y homogéneas. Los resultados mostraron que la resistencia del recubrimiento (Rcoat), la resistencia a la corrosión (Rcorr) y la resistencia Warburg de las muestras preparadas por ultrasonidos eran superiores a las del polipirrol sintetizado sin ultrasonidos. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido visualizaron los efectos positivos de la ultrasonicación durante la electrodeposición sobre la morfología de las partículas: Los resultados revelan que la síntesis sonoelectroquímica produce recubrimientos de polipirrol fuertemente adherentes y lisos. Comparando los resultados de la sonoelectrodeposición con los de la electrodeposición convencional, queda claro que los recubrimientos preparados por el método sonoelectroquímico presentan una mayor resistencia a la corrosión. La sonicación de la célula electroquímica mejora la transferencia de masa y la activación de la superficie del electrodo de trabajo. Estos efectos contribuyen significativamente a una síntesis de polipirrol altamente eficiente y de gran calidad.

Recubrimiento de polipirrol electrodepositado por ultrasonidos sobre acero St-12.

Imágenes SEM de (a) PPy y (b) recubrimientos de polipirrol depositados por sonoelectroquímica (PPy-US) sobre acero St-12 (aumento de 7500×).
(estudio e imágenes: © Ashassi-Sorkhabi y Bagheri, 2014)

La deposición sonoelectroquímica es un método muy eficaz para la síntesis de nanopartículas y materiales nanoestructurados.

La electrodeposición sonoquímica permite producir nanopartículas, nanopartículas core-shell, soportes recubiertos de nanopartículas y materiales nanoestructurados.
(imagen y estudio: ©Islam et al. 2019)

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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 Cu-Sn-TiO2 mediante electrodeposición sonoquímica a partir de un baño de ácido oxálico que contenía adicionalmente 4 g/dm3 de TiO2 bajo agitación mecánica y ultrasónica. El tratamiento ultrasónico se realizó con el ultrasonicator UP200Ht de Hielscher a 26 kHz de frecuencia y 32 W/dm3 de potencia. Los resultados demostraron que la agitación ultrasónica disminuye la aglomeración de partículas de TiO2 y permite la deposición de nanocomposites Cu-Sn-TiO2 densos. 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 nanocomposites sonicados, la mayoría de las partículas de TiO2 se incrustaron en la matriz Cu-Sn. La introducción de la agitación por ultrasonidos mejora la distribución superficial de las nanopartículas de TiO2 e impide la agregación.
Se demuestra que los recubrimientos nanocompuestos Cu-Sn-TiO2 formados por electrodeposición asistida por ultrasonidos presentan excelentes propiedades antimicrobianas frente a la bacteria E. coli.

La electrodeposición sonoquímica se utiliza para producir nanomateriales como recubrimientos de dióxido de cobre-estaño-titanio (Cu-Sn-TiO2). En el estudio se utilizó el ultrasonicador UP200Ht de Hielscher como dispositivo de ultrasonidos.

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)

Los electrodos ultrasónicos mejoran la eficacia, el rendimiento y la tasa de conversión de los procesos electroquímicos.

La sonda ultrasónica funciona como electrodo. Las ondas ultrasónicas favorecen las reacciones electroquímicas, lo que mejora la eficiencia, aumenta el rendimiento y acelera las tasas de conversión.
La sonoelectroquímica mejora notablemente los procesos de electrodeposición.

Equipos sonoelectroquímicos de alto rendimiento

Hielscher Ultrasonics suministra equipos ultrasónicos de alto rendimiento para una sonoelectrodeposición / sonoelectrodeposición fiable y eficaz de nanomateriales. La gama de productos incluye sistemas de ultrasonidos de alta potencia, sonoelectrodos, reactores y celdas para su aplicación de deposición sonoelectroquímica.

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Reactor sonoelectroquímico en línea con sonda ultrasónica UIP2000hdT para la electrodeposición de nanopartículas

La sonda del ultrasonicador UIP2000hdT actúa como electrodo en un montaje sonoelectroquímico para la síntesis de nanopartículas.

Este vídeo ilustra la influencia positiva de la ultrasonicación directa del electrodo sobre la corriente eléctrica en una configuración de electrolizador H-Cell. Utiliza un homogeneizador ultrasónico Hielscher UP100H (100 vatios, 30 kHz) con actualización electroquímica y un electrodo/sonotrodo de titanio. La electrólisis del ácido sulfúrico diluido produce gas hidrógeno y gas oxígeno. La ultrasonicación reduce el espesor de la capa de difusión en la superficie del electrodo y mejora la transferencia de masa durante la electrólisis.

Sonoelectroquímica - Ilustración de la influencia de la ultrasonicación en la electrólisis de la célula H



Literatura / Referencias


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonicador compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.