Dépôt sonoélectrochimique

Le dépôt sonoélectrochimique est une technique de synthèse qui combine la sonochimie et l'électrochimie pour une production hautement efficace et respectueuse de l'environnement de nanomatériaux. Réputé rapide, simple et efficace, le dépôt sonoélectrochimique permet la synthèse de nanoparticules et de nanocomposites dont la forme est contrôlée.

Sono-électrodéposition de nanoparticules

Pour le dépôt sonoélectrochimique (également appelé dépôt sonoélectrochimique, électrodéposition sonochimique ou électrodéposition sonochimique) dans le but de synthétiser des nanoparticules, une ou deux sondes ultrasoniques (sonotrodes ou cornes) sont utilisées comme électrodes. La méthode de dépôt sonoélectrochimique est très efficace, simple et sûre à mettre en œuvre, ce qui permet de synthétiser des nanoparticules et des nanostructures en grandes quantités. En outre, le dépôt sonoélectrochimique est un processus intensifié, ce qui signifie que la sonication accélère le processus d'électrolyse de sorte que la réaction peut être réalisée dans des conditions plus efficaces.
L'application d'ultrasons de puissance aux suspensions augmente considérablement les processus de transfert de masse en raison de l'écoulement macroscopique et des forces de cavitation interfaciale microscopiques. Sur les électrodes à ultrasons (sono-électrodes), la vibration et la cavitation ultrasoniques éliminent en permanence les produits de réaction de la surface de l'électrode. En éliminant tout dépôt de passivation, la surface de l'électrode est continuellement disponible pour la synthèse de nouvelles particules.
La cavitation générée par les ultrasons favorise la formation de nanoparticules lisses et uniformes qui sont distribuées de manière homogène dans la phase liquide.

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L'électrodéposition par ultrasons est une méthode très efficace pour la production de nanoparticules et de matériaux nanostructurés.

2x processeurs à ultrasons avec des sondes, qui agissent comme des électrodes, c'est-à-dire une cathode et une anode. La vibration et la cavitation des ultrasons favorisent les processus électrochimiques.

Cette vidéo illustre l'influence positive des ultrasons à électrode directe sur le courant électrique. Elle utilise un homogénéisateur à ultrasons Hielscher UP100H (100 Watts, 30kHz) avec une amélioration électrochimique et une électrode/sonotrode en titane. L'électrolyse de l'acide sulfurique dilué produit de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux. L'ultrasonication réduit l'épaisseur de la couche de diffusion à la surface de l'électrode et améliore le transfert de masse pendant l'électrolyse.

Sono-électro-chimie - Illustration de l'influence des ultrasons sur l'électrolyse en discontinu

Dépôt électrolytique sonochimique de

  • nanoparticules
  • nanoparticules cœur-coquille
  • Support décoré de nanoparticules
  • nanostructures
  • nanocomposites
  • revêtements

Dépôt sonoélectrochimique de nanoparticules

Production sono-électrochimique d'hydrogène à une cathode à ultrasons.Lorsqu'un champ ultrasonique est appliqué à un électrolyte liquide, divers phénomènes de cavitation ultrasonique tels que l'écoulement acoustique et les micro-jets, les ondes de choc, l'augmentation du transfert de masse de/vers l'électrode et le nettoyage de la surface (élimination des couches de passivation) favorisent les processus d'électrodéposition/électroplacage. Les effets bénéfiques de la sonication sur l'électrodéposition / l'électroplacage ont déjà été démontrés pour de nombreuses nanoparticules, y compris les nanoparticules métalliques, les nanoparticules semi-conductrices, les nanoparticules core-shell et les nanoparticules dopées.
Les nanoparticules métallisées déposées par électrolyse sonochimique, telles que Cr, Cu et Fe, présentent une augmentation significative de la dureté, tandis que Zn présente une résistance accrue à la corrosion.
Mastai et al. (1999) ont synthétisé des nanoparticules de CdSe par dépôt sonoélectrochimique. L'ajustement de divers paramètres d'électrodéposition et d'ultrasons permet de modifier la taille des cristaux des nanoparticules de CdSe, de l'état amorphe aux rayons X jusqu'à 9 nm (phase sphalérite).

Ashassi-Sorkhabi et Bagheri (2014) ont démontré les avantages de la synthèse sono-électrochimique du polypyrrole (PPy) sur l'acier St-12 dans un milieu d'acide oxalique en utilisant une technique galvanostatique avec une densité de courant de 4 mA/cm2. L'application directe d'ultrasons à basse fréquence à l'aide de l'ultrasoniseur UP400S a conduit à des structures de surface plus compactes et plus homogènes du polypyrrole. Les résultats ont montré que la résistance au revêtement (Rcoat), la résistance à la corrosion (Rcorr) et la résistance de Warburg des échantillons préparés par ultrasons étaient supérieures à celles du polypyrrole synthétisé sans ultrasons. Les images de la microscopie électronique à balayage ont visualisé les effets positifs de l'ultrasonication pendant l'électrodéposition sur la morphologie des particules : Les résultats révèlent que la synthèse sonoélectrochimique produit des couches de polypyrrole fortement adhérentes et lisses. En comparant les résultats de la sono-électrodéposition avec l'électrodéposition conventionnelle, il est clair que les revêtements préparés par la méthode sonoélectrochimique ont une résistance à la corrosion plus élevée. La sonication de la cellule électrochimique entraîne une amélioration du transfert de masse et une activation de la surface de l'électrode de travail. Ces effets contribuent de manière significative à une synthèse très efficace et de haute qualité du polypyrrole.

Revêtement de polypyrrole déposé par électrolyse ultrasonique sur de l'acier St-12.

Images MEB de (a) revêtements de polypyrrole (PPy-US) déposés par voie sonoélectrochimique et (b) sur de l'acier St-12 (grossissement de 7500×)
(étude et photos : © Ashassi-Sorkhabi et Bagheri, 2014)

Le dépôt sono-électrochimique est une méthode très efficace pour la synthèse de nanoparticules et de matériaux nanostructurés.

L'électrodéposition sonochimique permet de produire des nanoparticules, des nanoparticules cœur-coquille, des supports revêtus de nanoparticules et des matériaux nanostructurés.
(photo et étude : ©Islam et al. 2019)

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Dépôt sonoélectrochimique de nanocomposites

La combinaison de l'ultrasonication avec l'électrodéposition est efficace et permet une synthèse facile des nanocomposites.
Kharitonov et al. (2021) ont synthétisé des revêtements nanocomposites Cu-Sn-TiO2 par électrodéposition sonochimique à partir d'un bain d'acide oxalique contenant en plus 4 g/dm3 de TiO2 sous agitation mécanique et ultrasonique. Le traitement par ultrasons a été effectué avec l'ultrasonateur Hielscher UP200Ht à une fréquence de 26 kHz et une puissance de 32 W/dm3. Les résultats ont démontré que l'agitation par ultrasons diminue l'agglomération des particules de TiO2 et permet le dépôt de nanocomposites denses en Cu-Sn-TiO2. Comparés à l'agitation mécanique conventionnelle, les revêtements Cu-Sn-TiO2 déposés sous sonication sont caractérisés par une plus grande homogénéité et une surface plus lisse. Dans les nanocomposites soniqués, la majorité des particules de TiO2 étaient incorporées dans la matrice Cu-Sn. L'introduction de l'agitation par ultrasons améliore la distribution de surface des nanoparticules de TiO2 et empêche l'agrégation.
Il est démontré que les revêtements nanocomposites Cu-Sn-TiO2 formés par électrodéposition assistée par ultrasons présentent d'excellentes propriétés antimicrobiennes contre les bactéries E. coli.

L'électrodéposition sonochimique est utilisée pour produire des nanomatériaux tels que des revêtements en dioxyde de cuivre-étain-titane (Cu-Sn-TiO2). Dans cette étude, le Hielscher ultrasonicator UP200Ht a été utilisé comme appareil à ultrasons.

Images SEM des revêtements Cu-Sn-TiO2 déposés par sono-électrochimie à une densité de courant cathodique de 0,5 A/dm2 et 1,0 A/dm2.
(étude et photos : © Kharitonov et al., 2021)

Les électrodes à ultrasons améliorent l'efficacité, le rendement et le taux de conversion des processus électrochimiques.

La sonde ultrasonore fait office d'électrode. Les ondes ultrasonores favorisent les réactions électrochimiques, ce qui se traduit par une meilleure efficacité, des rendements plus élevés et des taux de conversion plus rapides.
La sonoélectrochimie améliore considérablement les processus d'électrodéposition.

Équipement sonoélectrochimique de haute performance

Hielscher Ultrasonics fournit des équipements ultrasoniques de haute performance pour un sono-électrodéposition / sonoélectroplacage fiable et efficace des nanomatériaux. La gamme de produits comprend des systèmes à ultrasons de haute puissance, des sono-électrodes, des réacteurs et des cellules pour votre application de dépôt sono-électrochimique.

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Réacteur sonoélectrochimique en ligne avec sonde ultrasonique UIP2000hdT pour l'électrodéposition de nanoparticules

La sonde de l'ultrasoniseur UIP2000hdT sert d'électrode dans un montage sonoélectrochimique pour la synthèse de nanoparticules.

Cette vidéo illustre l'influence positive des ultrasons à électrode directe sur le courant électrique dans une installation d'électrolyseur H-Cell. Elle utilise un homogénéisateur à ultrasons Hielscher UP100H (100 Watts, 30kHz) avec une amélioration électrochimique et une électrode/sonotrode en titane. L'électrolyse de l'acide sulfurique dilué produit de l'hydrogène et de l'oxygène gazeux. L'ultrasonication réduit l'épaisseur de la couche de diffusion à la surface de l'électrode et améliore le transfert de masse pendant l'électrolyse.

Sono-électro-chimie - Illustration de l'influence des ultrasons sur l'électrolyse des cellules H



Littérature / Références


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Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance à partir d'une technologie de pointe. laboratoires à taille industrielle.