Sonoelektrokemiallinen pinnoitus

Sonoelektrokemiallinen pinnoitus on synteesitekniikka, jossa yhdistyvät sonokemia ja sähkökemia nanomateriaalien erittäin tehokkaaseen ja ympäristöystävälliseen tuotantoon. Nopea, yksinkertainen ja tehokas sonoelektrokemiallinen pinnoitus mahdollistaa nanohiukkasten ja nanokomposiittien muoto-ohjatun synteesin.

Nanohiukkasten sonoelektrodipositio

Sonoelektrodipositioon (myös sonoeletrokemiallinen pinnoitus, sonokemiallinen galvanointi tai sonokemiallinen elektrodipositio) nanohiukkasten syntetisoimiseksi elektrodeina käytetään yhtä tai kahta ultraäänikoetinta (sonotrodes tai sarvet). Sonoelektrokemiallisen kerrostuksen menetelmä on erittäin tehokas sekä yksinkertainen ja turvallinen käyttää, mikä mahdollistaa nanohiukkasten ja nanorakenteiden syntetisoimisen suurina määrinä. Lisäksi sonoelektrokemiallinen kerrostuminen on tehostettu prosessi, mikä tarkoittaa, että sonikaatio nopeuttaa elektrolyysiprosessia, jotta reaktio voidaan suorittaa tehokkaammissa olosuhteissa.
Tehon ultraäänen käyttäminen suspensioihin lisää merkittävästi massansiirtoprosesseja makroskooppisen suoratoiston ja mikroskooppisten rajapintojen kavitaatiovoimien vuoksi. Ultraäänielektrodeilla (sono-elektrodeilla) ultraäänivärähtely ja kavitaatio poistavat jatkuvasti reaktiotuotteet elektrodin pinnalta. Poistamalla kaikki passivoivat kerrostumat elektrodin pinta on jatkuvasti käytettävissä uusien hiukkasten synteesiin.
Ultraäänellä tuotettu kavitaatio edistää sileiden ja yhtenäisten nanohiukkasten muodostumista, jotka jakautuvat homogeenisesti nestefaasiin.

Nanohiukkasten sonoelektrokemiallinen pinnoitus

Kun ultraäänikenttää käytetään nestemäiseen elektrolyyttiin, erilaiset ultraäänikavitaatioilmiöt, kuten akustinen suoratoisto ja mikrosuihkutus, iskuaallot, massansiirron parantaminen elektrodista / elektrodiin ja pinnan puhdistus (passiivisten kerrosten poistaminen) edistävät elektrodipositiota / galvanointiprosesseja. Sonikoinnin hyödylliset vaikutukset elektrodipositioon / galvanointiin on jo osoitettu lukuisille nanohiukkasille, mukaan lukien metalliset nanohiukkaset, puolijohdenanohiukkaset, ydinkuoren nanohiukkaset ja seostetut nanohiukkaset.
Sonokemiallisesti sähkökerrostuneet mettaliset nanohiukkaset, kuten Cr, Cu ja Fe, osoittavat merkittävää kovuuden kasvua, kun taas Zn osoittaa lisääntynyttä korroosionkestävyyttä.
(1999) syntetisoi CdSe-nanohiukkasia sonoelektrokemiallisen kerrostumisen kautta. Eri elektrodipositio- ja ultraääniparametrien säädöt mahdollistavat CdSe-nanohiukkasten kidekoon muuttamisen röntgensäteestä amorfisesta jopa 9 nm: iin (sphalerite phase).

Ashassi-Sorkhabi ja Bagheri (2014) osoittivat polypyrrolin (PPy) sono-sähkökemiallisen synteesin edut St-12-teräksessä oksaalihappoväliaineessa käyttämällä galvanostaattista tekniikkaa, jonka virrantiheys on 4 mA/cm2. Matalataajuisen ultraäänen suora käyttö ultraäänilaitteella UP400S johti polypyrrolin pienempiin ja homogeenisempiin pintarakenteisiin. Tulokset osoittivat, että ultraäänellä valmistettujen näytteiden pinnoitteen kestävyys (Rcoat), korroosionkestävyys (Rcorr) ja Warburgin kestävyys olivat korkeammat kuin ei-ultraäänellä syntetisoidun polypyrrolin. Skannauselektronimikroskopian kuvat visualisoivat ultrasonicationin positiiviset vaikutukset elektrodiposition aikana hiukkasmorfologiaan: Tulokset paljastavat, että sonoelektrokemiallinen synteesi tuottaa voimakkaasti kiinnittyneitä ja sileitä polypyrrolin pinnoitteita. Vertaamalla sono-elektrokerrostuksen tuloksia tavanomaiseen elektrodipositioon on selvää, että sonoelektrokemiallisella menetelmällä valmistetuilla pinnoitteilla on suurempi korroosionkestävyys. Sähkökemiallisen kennon sonikaatio johtaa tehostettuun massansiirtoon ja työelektrodin pinnan aktivoitumiseen. Nämä vaikutukset edistävät merkittävästi erittäin tehokasta ja korkealaatuista polypyrrolin synteesiä.

SEM-kuvat (a) PPy- ja (b) sonoelektrokemiallisista kerrostetuista polypyrrolikerroksista (PPy-US) pinnoitteista St-12-teräkselle (suurennus 7500×)
(tutkimus ja kuvat: © Ashassi-Sorkhabi ja Bagheri, 2014)

Nanokomposiittien sonoelektrokemiallinen pinnoitus

Ultrasonicationin ja elektrodiposition yhdistelmä on tehokas ja mahdollistaa nanokomposiittien helpon synteesin.
(2021) syntetisoi nanokomposiittiset Cu-Sn-TiO2-pinnoitteet sonokemiallisella elektrodipositiolla oksaalihappohauteesta, joka sisältää lisäksi 4 g / dm3 TiO2: ta mekaanisessa ja ultraäänisekoituksessa. Ultraäänikäsittely suoritettiin Hielscher-ultraäänilaitteella UP200Ht 26 kHz: n taajuudella ja 32 W / dm3-teholla. Tulokset osoittivat, että ultraääniagitaatio vähentää TiO2-hiukkasten agglomeraatiota ja mahdollistaa tiheiden Cu-Sn-TiO2-nanokomposiittien laskeutumisen. Verrattuna tavanomaiseen mekaaniseen sekoitukseen, sonikaatiossa kerrostuneille Cu-Sn-TiO2-pinnoitteille on tunnusomaista suurempi homogeenisuus ja tasaisempi pinta. Sonikoiduissa nanokomposiiteissa suurin osa TiO2-hiukkasista upotettiin Cu-Sn-matriisiin. Ultraääniagitaation käyttöönotto parantaa TiO2-nanohiukkasten pintajakaumaa ja estää aggregaatiota.
On osoitettu, että ultraääniavusteisella elektrodipositiolla muodostetuilla nanokomposiittisilla Cu-Sn-TiO2-pinnoitteilla on erinomaiset antimikrobiset ominaisuudet E. coli -bakteereja vastaan.

SEM-kuvat sono-sähkökemiallisesti kerrostuneista Cu-Sn-TiO2-pinnoitteista katodisella virrantiheydellä 0.5 A / dm2 ja 1.0 A / dm2.
(tutkimus ja kuvat: © Kharitonov et ai., 2021)

Korkean suorituskyvyn sonoelektrokemialliset laitteet

Hielscher Ultrasonics toimittaa korkean suorituskyvyn ultraäänilaitteita nanomateriaalien luotettavaan ja tehokkaaseen sonoelektrodipositioon / sonogalvanointiin. Tuotevalikoimaan kuuluvat suuritehoiset ultraäänijärjestelmät, sonoelektrodit, reaktorit ja kennot sono-sähkökemialliseen pinnoitussovellukseen.