Deposición sonoelectroquímica

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

Sonoelectrodeposición de nanopartículas

Para la sonoelectrodeposición (también denominada deposición sonoelectroquímica, galvanoplastia sonoquímica o electrodeposición sonoquímica) destinada a sintetizar nanopartículas, se utilizan una o dos sondas ultrasónicas (sonotrodos o bocinas) como electrodos. El método de deposición sonoelectroquímica es altamente eficiente, además de sencillo y seguro de utilizar, lo que permite sintetizar nanopartículas y nanoestructuras en grandes cantidades. Además, la deposición sonoelectroquímica es un proceso intensificado, es decir, la sonicación acelera el proceso de electrólisis, de modo que la reacción puede realizarse en condiciones más eficaces.
La aplicación de ultrasonidos de potencia a suspensiones incrementa significativamente los procesos de transferencia de masa debido a las corrientes macroscópicas y a las fuerzas microscópicas de cavitación en las interfaces. 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 depósito pasivante, la superficie del electrodo permanece disponible para la síntesis de nuevas partículas.
La cavitación generada por los ultrasonidos favorece la formación de nanopartículas lisas y uniformes, distribuidas 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 las corrientes acústicas y la formación de microchorros, las ondas de choque, la mejora de la transferencia de masa desde y hacia el electrodo y la limpieza de la superficie (eliminación de capas pasivantes), favorecen los procesos de electrodeposición / galvanoplastia. Los efectos beneficiosos de la sonicación sobre la electrodeposición / galvanoplastia ya se han demostrado para numerosas nanopartículas, incluidas las nanopartículas metálicas, semiconductoras, de núcleo–capa y dopadas.
Las nanopartículas metálicas electrodepositadas sonoquímicamente, como Cr, Cu y Fe, muestran un aumento significativo de la dureza, mientras que Zn presenta una mayor resistencia a la corrosión.
Mastai et al. (1999) sintetizaron nanopartículas de CdSe mediante deposición sonoelectroquímica. El ajuste de diversos parámetros de electrodeposición y de ultrasonidos permite modificar el tamaño cristalino de las nanopartículas de CdSe, desde amorfas según rayos X hasta 9 nm (fase de 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 sonicador 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 de Warburg de las muestras preparadas mediante ultrasonidos eran superiores a las del polipirrol sintetizado sin ultrasonidos. Las imágenes de microscopía electrónica de barrido mostraron 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 lisos y con una fuerte adherencia. Al comparar los resultados de la sonoelectrodeposición con los de la electrodeposición convencional, queda claro que los recubrimientos preparados mediante el método sonoelectroquímico presentan una mayor resistencia a la corrosión. La sonicación de la celda electroquímica mejora la transferencia de masa y activa la superficie del electrodo de trabajo. Estos efectos contribuyen significativamente a una síntesis de polipirrol altamente eficiente y de alta calidad.

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

Deposición sonoelectroquímica de nanocompuestos

La combinación de ultrasonicación y electrodeposición es eficaz y permite sintetizar nanocompuestos de forma sencilla.
Kharitonov et al. (2021) sintetizaron recubrimientos nanocompuestos de Cu–Sn–TiO2 mediante electrodeposición sonoquímica a partir de un baño de ácido oxálico que contenía además 4 g/dm3 de TiO2, con agitación mecánica y ultrasónica. El tratamiento ultrasónico se realizó con el sonicador UP200Ht de Hielscher a una frecuencia de 26 kHz y una potencia de 32 W/dm3. Los resultados demostraron que la agitación ultrasónica reduce la aglomeración de las partículas de TiO2 y permite depositar nanocompuestos densos de Cu–Sn–TiO2. En comparación con la agitación mecánica convencional, los recubrimientos de Cu–Sn–TiO2 depositados mediante sonicación se caracterizan por una mayor homogeneidad y una superficie más lisa. En los nanocompuestos sonicados, la mayoría de las partículas de TiO2 quedaron embebidas en la matriz de Cu–Sn. La incorporación de 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 mediante electrodeposición asistida por ultrasonidos presentan excelentes propiedades antimicrobianas frente a las bacterias E. coli.

Imágenes SEM de recubrimientos de Cu–Sn–TiO2 depositados sonoelectroquímicamente con densidades 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

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