Sonoelektrokemiallinen saostus

Sonoelektrokemiallinen saostus on synteesitekniikka, jossa yhdistetään sonokemia ja sähkökemia nanomateriaalien erittäin tehokasta ja ympäristöystävällistä tuotantoa varten. Nopeaksi, yksinkertaiseksi ja tehokkaaksi tunnettu sonoelektrokemiallinen saostus mahdollistaa nanohiukkasten ja nanokomposiittien synteesin, jossa niiden muotoa voidaan hallita.

Nanohiukkasten ultraääniavusteinen sähkösaostus

Nanohiukkasten synteesiin tarkoitetussa ultraääniavusteisessa sähkösaostuksessa (josta käytetään myös nimityksiä sonoelektrokemiallinen saostus, sonokemiallinen sähköpinnoitus tai sonokemiallinen sähkösaostus) elektrodeina käytetään yhtä tai kahta ultraäänisondia (sonotrodia tai ultraäänitorvea). Sonoelektrokemiallinen saostusmenetelmä on erittäin tehokas sekä yksinkertainen ja turvallinen käyttää, mikä mahdollistaa nanohiukkasten ja nanorakenteiden synteesin suurina määrinä. Lisäksi sonoelektrokemiallinen saostus on tehostettu prosessi, eli ultraäänikäsittely nopeuttaa elektrolyysiprosessia, jolloin reaktio voidaan toteuttaa tehokkaammissa olosuhteissa.
Tehoultraäänen kohdistaminen suspensioihin tehostaa merkittävästi aineensiirtoprosesseja makroskooppisen virtauksen ja mikroskooppisten rajapinnoilla vaikuttavien kavitaatiovoimien ansiosta. Ultraäänielektrodeilla (sonoelektrodeilla) ultraäänivärähtely ja kavitaatio poistavat jatkuvasti reaktiotuotteita elektrodin pinnalta. Kaikkien passivoivien saostumien poistaminen pitää elektrodin pinnan jatkuvasti käytettävissä uusien hiukkasten synteesiin.
Ultraäänen synnyttämä kavitaatio edistää sileiden ja yhdenmukaisten nanohiukkasten muodostumista. Nämä hiukkaset jakautuvat tasaisesti nestefaasiin.

Nanohiukkasten sonoelektrokemiallinen saostus

Kun nestemäiseen elektrolyyttiin kohdistetaan ultraäänikenttä, erilaiset ultraäänikavitaatioilmiöt, kuten akustinen virtaus ja mikrosuihkut, iskuaallot, tehostunut aineensiirto elektrodilta ja elektrodille sekä pinnan puhdistuminen (passivoivien kerrosten poistuminen), edistävät sähkösaostus- ja sähköpinnoitusprosesseja. Ultraäänikäsittelyn suotuisat vaikutukset sähkösaostukseen ja sähköpinnoitukseen on jo osoitettu lukuisilla nanohiukkasilla, kuten metallinanohiukkasilla, puolijohdenanohiukkasilla, ydin–kuorinanohiukkasilla ja seostetuilla nanohiukkasilla.
Sonokemiallisesti sähkösaostettujen metallinanohiukkasten, kuten Cr:n, Cu:n ja Fe:n, kovuus kasvaa merkittävästi, kun taas Zn:n korroosionkestävyys paranee.
Mastai et al. (1999) syntetisoivat CdSe-nanohiukkasia sonoelektrokemiallisella saostuksella. Erilaisten sähkösaostus- ja ultraääniparametrien säätäminen mahdollistaa CdSe-nanohiukkasten kidekoon muuttamisen röntgenamorfisesta tilasta aina 9 nm:iin asti (sfaleriittifaasi).

Ashassi-Sorkhabi ja Bagheri (2014) osoittivat polypyrrolin (PPy) sonoelektrokemiallisen synteesin edut teräslaadun St-12 pinnalla oksaalihappoväliaineessa käyttäen galvanostaattista tekniikkaa virrantiheydellä 4 mA/cm2. Matalataajuisen ultraäänen suora kohdistaminen ultraäänilaitteella UP400S johti polypyrrolin tiiviimpiin ja homogeenisempiin pintarakenteisiin. Tulokset osoittivat, että ultraäänellä valmistettujen näytteiden pinnoiteresistanssi (Rcoat), korroosioresistanssi (Rcorr) ja Warburgin resistanssi olivat suurempia kuin ilman ultraääntä syntetisoidun polypyrrolin. Pyyhkäisyelektronimikroskooppikuvat havainnollistivat sähkösaostuksen aikaisen ultraäänikäsittelyn suotuisia vaikutuksia hiukkasten morfologiaan: tulokset osoittavat, että sonoelektrokemiallinen synteesi tuottaa lujasti kiinnittyviä ja sileitä polypyrrolipinnoitteita. Sonoelektrokemiallisen saostuksen tulosten vertaaminen tavanomaiseen sähkösaostukseen osoittaa selvästi, että sonoelektrokemiallisella menetelmällä valmistetuilla pinnoitteilla on parempi korroosionkestävyys. Sähkökemiallisen kennon ultraäänikäsittely tehostaa aineensiirtoa ja aktivoi työelektrodin pintaa. Nämä vaikutukset edistävät merkittävästi polypyrrolin erittäin tehokasta ja laadukasta synteesiä.

SEM-kuvat (a) PPy-pinnoitteista ja (b) sonoelektrokemiallisesti saostetuista polypyrrolipinnoitteista (PPy-US) St-12-teräksellä (suurennus 7 500×)
(tutkimus ja kuvat: © Ashassi-Sorkhabi ja Bagheri, 2014)

Nanokomposiittien sonoelektrokemiallinen saostus

Ultraäänikäsittelyn yhdistäminen sähkösaostukseen on tehokasta ja mahdollistaa nanokomposiittien helpon synteesin.
Kharitonov et al. (2021) syntetisoivat Cu–Sn–TiO2-nanokomposiittipinnoitteita sonokemiallisella sähkösaostuksella oksaalihappokylvystä, joka sisälsi lisäksi 4 g/dm3 TiO2:ta, käyttäen mekaanista ja ultraäänisekoitusta. Ultraäänikäsittely tehtiin Hielscher UP200Ht -ultraäänilaitteella 26 kHz:n taajuudella ja 32 W/dm3:n teholla. Tulokset osoittivat, että ultraäänisekoitus vähentää TiO2-hiukkasten agglomeroitumista ja mahdollistaa tiiviiden Cu–Sn–TiO2-nanokomposiittien saostamisen. Tavanomaiseen mekaaniseen sekoitukseen verrattuna ultraäänikäsittelyn aikana saostetuille Cu–Sn–TiO2-pinnoitteille ovat ominaisia parempi homogeenisuus ja sileämpi pinta. Ultraäänikäsitellyissä nanokomposiiteissa suurin osa TiO2-hiukkasista oli upotettu Cu–Sn-matriisiin. Ultraäänisekoituksen käyttöönotto parantaa TiO2-nanohiukkasten jakautumista pinnalle ja ehkäisee aggregoitumista.
On osoitettu, että ultraääniavusteisella sähkösaostuksella muodostetuilla Cu–Sn–TiO2-nanokomposiittipinnoitteilla on erinomaiset antimikrobiset ominaisuudet E. coli -bakteereja vastaan.

SEM-kuvat sonoelektrokemiallisesti saostetuista Cu–Sn–TiO2-pinnoitteista katodisilla virrantiheyksillä 0,5 A/dm2 ja 1,0 A/dm2.
(tutkimus ja kuvat: © Kharitonov et al., 2021)

Suorituskykyiset sonoelektrokemialliset laitteet

Hielscher Ultrasonics toimittaa suorituskykyisiä ultraäänilaitteita nanomateriaalien luotettavaan ja tehokkaaseen ultraääniavusteiseen sähkösaostukseen ja sähköpinnoitukseen. Tuotevalikoimaan kuuluu suuritehoisia ultraäänijärjestelmiä, sonoelektrodeja, reaktoreita ja kennoja sonoelektrokemialliseen saostussovellukseesi.