رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی
رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی روشی برای سنتز است که سونوشیمی و الکتروشیمی را برای تولید بسیار کارآمد و سازگار با محیط‌زیست نانومواد ترکیب می‌کند. رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی که به‌عنوان روشی سریع، ساده و مؤثر شناخته می‌شود، سنتز نانوذرات و نانوکامپوزیت‌ها را با شکل کنترل‌شده امکان‌پذیر می‌کند.
رسوب‌دهی الکتریکی نانوذرات به کمک فراصوت
در رسوب‌دهی الکتریکی به کمک فراصوت (که رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی، آبکاری سونوشیمیایی یا رسوب‌دهی الکتریکی سونوشیمیایی نیز نامیده می‌شود) با هدف سنتز نانوذرات، از یک یا دو پروب فراصوتی (سونوتْرود یا هورن) به‌عنوان الکترود استفاده می‌شود. روش رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی بسیار کارآمد است و اجرای آن نیز ساده و ایمن است؛ این ویژگی‌ها سنتز نانوذرات و نانوساختارها را در مقادیر زیاد امکان‌پذیر می‌کنند. افزون بر این، رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی فرایندی تشدیدشده است؛ به این معنا که فراصوت‌دهی فرایند الکترولیز را تسریع می‌کند تا واکنش در شرایط مؤثرتری انجام شود.
اعمال فراصوت پرتوان به سوسپانسیون‌ها، به‌دلیل جریان‌های ماکروسکوپی و نیروهای میکروسکوپی کاویتاسیونی در فصل مشترک، فرایندهای انتقال جرم را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. در الکترودهای فراصوتی (سونوالکترودها)، ارتعاش فراصوتی و کاویتاسیون به‌طور پیوسته محصولات واکنش را از سطح الکترود جدا می‌کنند. با زدودن هرگونه رسوب غیرفعال‌کننده، سطح الکترود همواره برای سنتز ذرات جدید در دسترس می‌ماند.
کاویتاسیون ایجادشده با فراصوت، تشکیل نانوذرات صاف و یکنواخت را تقویت می‌کند که به‌طور همگن در فاز مایع توزیع می‌شوند.
2x پردازشگر فراصوتی مجهز به پروب‌هایی که نقش الکترود، یعنی کاتد و آند، را ایفا می‌کنند. ارتعاش فراصوتی و کاویتاسیون فرایندهای الکتروشیمیایی را تقویت می‌کنند.
- نانوذرات
- نانوذرات هسته–پوسته
- پایهٔ آراسته به نانوذرات
- نانوساختارها
- نانوکامپوزیت‌ها
- پوشش‌ها
رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی نانوذرات
هنگامی که میدان فراصوتی به یک الکترولیت مایع اعمال می‌شود، پدیده‌های گوناگون کاویتاسیون فراصوتی، مانند جریان آکوستیکی و تشکیل ریزجت‌ها، امواج ضربه‌ای، افزایش انتقال جرم از الکترود و به آن، و پاک‌سازی سطح (زدودن لایه‌های غیرفعال‌کننده)، فرایندهای رسوب‌دهی الکتریکی / آبکاری را تقویت می‌کنند. آثار سودمند فراصوت‌دهی بر رسوب‌دهی الکتریکی / آبکاری پیش‌تر برای نانوذرات متعددی، از جمله نانوذرات فلزی، نانوذرات نیمه‌رسانا، نانوذرات هسته–پوسته و نانوذرات آلاییده، اثبات شده است.
نانوذرات فلزی مانند Cr، Cu و Fe که با روش سونوشیمیایی رسوب‌دهی الکتریکی شده‌اند، افزایش چشمگیری در سختی نشان می‌دهند، درحالی‌که Zn مقاومت به خوردگی بیشتری نشان می‌دهد.
Mastai et al. (1999) نانوذرات CdSe را از طریق رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی سنتز کردند. تنظیم پارامترهای مختلف رسوب‌دهی الکتریکی و فراصوت امکان تغییر اندازهٔ بلور نانوذرات CdSe را از حالت آمورف از دید پراش پرتو ایکس تا 9 nm (فاز اسفالریت) فراهم می‌کند.
Ashassi-Sorkhabi and Bagheri (2014) مزایای سنتز سونوالکتروشیمیایی پلی‌پیرول (PPy) روی فولاد St-12 را در محیط اسید اگزالیک، با استفاده از روش گالوانواستاتیک و چگالی جریان 4 mA/cm2، نشان دادند. اعمال مستقیم فراصوت کم‌فرکانس با استفاده از دستگاه فراصوت‌دهی UP400S به ساختارهای سطحی متراکم‌تر و همگن‌تر پلی‌پیرول منجر شد. نتایج نشان دادند که مقاومت پوشش (Rcoat)، مقاومت به خوردگی (Rcorr) و مقاومت واربورگ نمونه‌های تهیه‌شده با فراصوت، از مقادیر مربوط به پلی‌پیرول سنتزشده بدون فراصوت بیشتر بودند. تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، آثار مثبت فراصوت‌دهی حین رسوب‌دهی الکتریکی بر ریخت‌شناسی ذرات را به‌وضوح نشان دادند: نتایج آشکار می‌کنند که سنتز سونوالکتروشیمیایی پوشش‌های صاف پلی‌پیرول با چسبندگی قوی ایجاد می‌کند. مقایسهٔ نتایج رسوب‌دهی الکتریکی به کمک فراصوت با رسوب‌دهی الکتریکی متداول به‌روشنی نشان می‌دهد که پوشش‌های تهیه‌شده با روش سونوالکتروشیمی مقاومت به خوردگی بیشتری دارند. فراصوت‌دهی سلول الکتروشیمیایی باعث افزایش انتقال جرم و فعال‌شدن سطح الکترود کاری می‌شود. این آثار نقش چشمگیری در سنتز بسیار کارآمد و باکیفیت پلی‌پیرول دارند.
تصاویر SEM از پوشش‌های (a) PPy و (b) پلی‌پیرول رسوب‌داده‌شده به روش سونوالکتروشیمیایی (PPy-US) روی فولاد St-12 (بزرگ‌نمایی 7500×)
(پژوهش و تصاویر: © Ashassi-Sorkhabi and Bagheri, 2014)
رسوب‌دهی الکتریکی سونوشیمیایی، تولید نانوذرات، نانوذرات هسته–پوسته، پایهٔ پوشیده از نانوذرات و مواد نانوساختار را امکان‌پذیر می‌کند.
(تصویر و پژوهش: ©Islam et al. 2019)
رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی نانوکامپوزیت‌ها
ترکیب فراصوت‌دهی با رسوب‌دهی الکتریکی مؤثر است و سنتز آسان نانوکامپوزیت‌ها را امکان‌پذیر می‌کند.
Kharitonov et al. (2021) پوشش‌های نانوکامپوزیتی Cu–Sn–TiO2 را با رسوب‌دهی الکتریکی سونوشیمیایی از حمام اسید اگزالیک که علاوه بر آن حاوی 4 g/dm3 از TiO2 بود، تحت هم‌زدن مکانیکی و فراصوتی سنتز کردند. تیمار فراصوتی با دستگاه فراصوت‌دهی UP200Ht ساخت Hielscher، در فرکانس 26 kHz و توان 32 W/dm3 انجام شد. نتایج نشان دادند که هم‌زدن فراصوتی کلوخه‌شدن ذرات TiO2 را کاهش می‌دهد و رسوب‌دهی نانوکامپوزیت‌های متراکم Cu–Sn–TiO2 را امکان‌پذیر می‌کند. در مقایسه با هم‌زدن مکانیکی متداول، پوشش‌های Cu–Sn–TiO2 رسوب‌داده‌شده تحت فراصوت‌دهی، همگنی بیشتر و سطح صاف‌تری دارند. در نانوکامپوزیت‌های فراصوت‌دهی‌شده، بیشتر ذرات TiO2 درون زمینهٔ Cu–Sn جای گرفته بودند. به‌کارگیری هم‌زدن فراصوتی، توزیع سطحی نانوذرات TiO2 را بهبود می‌دهد و مانع تجمع می‌شود.
نشان داده شده است که پوشش‌های نانوکامپوزیتی Cu–Sn–TiO2 تشکیل‌شده با رسوب‌دهی الکتریکی به کمک فراصوت، خواص ضدمیکروبی عالی در برابر باکتری E. coli دارند.
تصاویر SEM از پوشش‌های Cu–Sn–TiO2 رسوب‌داده‌شده به روش سونوالکتروشیمیایی در چگالی جریان کاتدی 0٫5 A/dm2 و 1٫0 A/dm2.
(پژوهش و تصاویر: © Kharitonov et al., 2021)
تجهیزات سونوالکتروشیمیایی با عملکرد بالا
Hielscher Ultrasonics تجهیزات فراصوتی با عملکرد بالا را برای رسوب‌دهی الکتریکی / آبکاری مطمئن و کارآمد نانومواد به کمک فراصوت عرضه می‌کند. مجموعهٔ محصولات شامل سامانه‌های فراصوت پرتوان، سونوالکترودها، راکتورها و سلول‌هایی برای کاربرد رسوب‌دهی سونوالکتروشیمیایی شماست.
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
منابع علمی / مراجع
- Dmitry S. Kharitonov, Aliaksandr A. Kasach, Denis S. Sergievich, Angelika Wrzesińska, Izabela Bobowska, Kazimierz Darowicki, Artur Zielinski, Jacek Ryl, Irina I. Kurilo (2021): Ultrasonic-assisted electrodeposition of Cu-Sn-TiO2 nanocomposite coatings with enhanced antibacterial activity. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 75, 2021.
- Ashassi-Sorkhabi, Habib; Bagheri, Robabeh (2014): Sonoelectrochemical and Electrochemical Synthesis of Polypyrrole Films on St-12 Steel and Their Corrosion and Morphological Studies. Advances in Polymer Technology 2014.
- Hyde, Michael; Compton, Richard (2002): How ultrasound influence the electrodeposition of metals. Journal of Electroanalytical Chemistry 531, 2002. 19-24.
- Mastai, Y., Polsky, R., Koltypin, Y., Gedanken, A., & Hodes, G. (1999): Pulsed Sonoelectrochemical Synthesis of Cadmium Selenide Nanoparticles. Journal of the American Chemical Society, 121(43), 1999. 10047–10052.
- Josiel Martins Costa, Ambrósio Florêncio de Almeida Neto (2020): Ultrasound-assisted electrodeposition and synthesis of alloys and composite materials: A review. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 68, 2020.
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های مختلف، از آزمایشگاهی تا صنعتی، تولید می‌کند.