Sonoelektrokeemiline sadestamine

Sonoelektrokeemiline sadestamine on sünteesitehnika, mis ühendab sonokeemia ja elektrokeemia, nanomaterjalide väga tõhusaks ja keskkonnasõbralikuks tootmiseks. Tuntud kui kiire, lihtne ja tõhus meetod võimaldab sonoelektrokeemiline sadestamine nanoosakeste ja nanokomposiitide kujukontrollitud sünteesi.

Nanoosakeste sonoelektrosadestamine

Nanoosakeste sünteesimiseks sonoelektrosadestamisel (nimetatakse ka sonoelektrokeemiliseks sadestamiseks, sonokeemiliseks galvaniseerimiseks või sonokeemiliseks elektrosadestamiseks) kasutatakse elektroodidena ühte või kahte ultraheli sondi (sonotroode ehk sarvi). Sonoelektrokeemiline sadestamine on väga tõhus ning samas lihtne ja ohutu kasutada, mis võimaldab sünteesida nanoosakesi ja nanostruktuure suurtes kogustes. Lisaks on sonoelektrokeemiline sadestamine intensiivistatud protsess, mis tähendab, et ultraheli töötlus (sonikeerimine) kiirendab elektrolüüsiprotsessi, nii et reaktsiooni saab läbi viia tõhusamates tingimustes.
Võimsa ultraheli rakendamine suspensioonidele suurendab oluliselt massiülekandeprotsesse makroskoopilise voolamise ja mikroskoopiliste faasipiirpinna kavitatsioonijõudude tõttu. Ultraheli elektroodidel (sonoelektroodidel) eemaldavad ultraheli vibratsioon ja kavitatsioon pidevalt reaktsioonisaadused elektroodi pinnalt. Kõiki passiveerivaid sadestisi eemaldades on elektroodi pind pidevalt kättesaadav uute osakeste sünteesiks.
Ultraheli tekitatud kavitatsioon soodustab siledate ja ühtlaste nanoosakeste teket, mis on vedelfaasis homogeenselt jaotunud.

Nanoosakeste sonoelektrokeemiline sadestamine

Kui vedelale elektrolüüdile rakendada ultrahelivälja, soodustavad elektrosadestamise / galvaniseerimise protsesse mitmesugused ultraheli kavitatsiooninähtused, nagu akustiline voolamine ja mikrojoad, lööklained, massiülekande tõhustumine elektroodilt/elektroodile ning pinna puhastamine (passiveerivate kihtide eemaldamine). Ultraheli töötluse (sonikeerimise) kasulikku mõju elektrosadestamisele / galvaniseerimisele on juba tõestatud arvukate nanoosakeste puhul, sealhulgas metalliliste nanoosakeste, pooljuhtnanoosakeste, tuum-kest-nanoosakeste ja legeeritud nanoosakeste korral.
Sonokeemiliselt elektrosadestatud metalliliste nanoosakeste, nagu Cr, Cu ja Fe, kõvadus suureneb märkimisväärselt, Zn korrosioonikindlus aga paraneb.
Mastai jt (1999) sünteesisid CdSe nanoosakesi sonoelektrokeemilise sadestamise teel. Mitmesuguste elektrosadestamise ja ultraheli parameetrite kohandamine võimaldab muuta CdSe nanoosakeste kristallisuurust röntgenamorfsest kuni 9 nm-ni (sfaleriidifaas).

Ashassi-Sorkhabi ja Bagheri (2014) näitasid polüpürrooli (PPy) sonoelektrokeemilise sünteesi eeliseid St-12 terasel oksaalhappe keskkonnas, kasutades galvanostaatilist meetodit voolutihedusega 4 mA/cm2. Madalsagedusliku ultraheli otsene rakendamine sonikaatoriga UP400S viis polüpürrooli kompaktsemate ja homogeensemate pinnastruktuurideni. Tulemused näitasid, et ultraheliga valmistatud proovide katte takistus (Rcoat), korrosioonitakistus (Rcorr) ja Warburgi takistus olid suuremad kui ultrahelita sünteesitud polüpürrooli oma. Skaneeriva elektronmikroskoopia pildid tegid nähtavaks ultraheli töötluse positiivse mõju osakeste morfoloogiale elektrosadestamise ajal: tulemused näitavad, et sonoelektrokeemiline süntees annab tugevasti nakkuvaid ja siledaid polüpürrooli katteid. Sonoelektrosadestamise ja tavapärase elektrosadestamise tulemusi võrreldes on selge, et sonoelektrokeemilise meetodiga valmistatud kattel on suurem korrosioonikindlus. Elektrokeemilise raku ultraheli töötlus parandab massiülekannet ja aktiveerib töötava elektroodi pinda. Need mõjud aitavad oluliselt kaasa polüpürrooli väga tõhusale ja kvaliteetsele sünteesile.

(a) PPy ja (b) sonoelektrokeemiliselt sadestatud polüpürrooli (PPy-US) katete SEM-pildid St-12 terasel (suurendus 7500×)
(uuring ja pildid: © Ashassi-Sorkhabi ja Bagheri, 2014)

Nanokomposiitide sonoelektrokeemiline sadestamine

Ultraheli töötluse kombineerimine elektrosadestamisega on tõhus ja võimaldab nanokomposiite hõlpsalt sünteesida.
Kharitonov jt (2021) sünteesisid nanokomposiitseid Cu–Sn–TiO2 katteid sonokeemilise elektrosadestamise teel oksaalhappe vannist, mis sisaldas lisaks 4 g/dm3 TiO2, mehaanilise ja ultraheliga segamise tingimustes. Ultraheli töötlus viidi läbi Hielscheri sonikaatoriga UP200Ht sagedusel 26 kHz ja võimsusel 32 W/dm3. Tulemused näitasid, et ultraheliga segamine vähendab TiO2 osakeste aglomeratsiooni ja võimaldab sadestada tihedaid Cu–Sn–TiO2 nanokomposiite. Tavapärase mehaanilise segamisega võrreldes iseloomustab ultraheli töötluse käigus sadestatud Cu–Sn–TiO2 katteid suurem homogeensus ja siledam pind. Ultraheliga töödeldud nanokomposiitides oli enamik TiO2 osakesi Cu–Sn maatriksisse sisse põimitud. Ultraheliga segamise kasutuselevõtt parandab TiO2 nanoosakeste pinnajaotust ja takistab agregatsiooni.
On näidatud, et ultraheli abil toimunud elektrosadestamisega moodustatud nanokomposiitsed Cu–Sn–TiO2 katted avaldavad suurepärast antimikroobset toimet E. coli bakterite vastu.

Sonoelektrokeemiliselt sadestatud Cu–Sn–TiO2 katete SEM-pildid katoodse voolutihedusega 0,5 A/dm2 ja 1,0 A/dm2.
(uuring ja pildid: © Kharitonov jt, 2021)

Suure jõudlusega sonoelektrokeemiline varustus

Hielscher Ultrasonics tarnib suure jõudlusega ultraheliseadmeid nanomaterjalide usaldusväärseks ja tõhusaks sonoelektrosadestamiseks / sonogalvaniseerimiseks. Tootevalikusse kuuluvad suure võimsusega ultraheli süsteemid, sonoelektroodid, reaktorid ja kambrid teie sonoelektrokeemilise sadestamise rakenduse jaoks.