סינתזה סונו־אלקטרוכימית של ננו־חלקיקי כחול פרוסי

סינתזה סונו־אלקטרוכימית משלבת את עקרונות האלקטרוכימיה עם ההשפעות הפיזיקליות של אולטרסאונד בעוצמה גבוהה כדי לאפשר ייצור מבוקר של ננו־חומרים, כגון ננו־חלקיקי כחול פרוסי. טכניקה משולבת זו משתמשת בקוויטציה אולטרסונית כדי לשפר את מעבר המסה, לחולל מיקרו־מערבולות מקומיות ולקדם הסרה מהירה של שכבות גז או שכבות פסיבציה בממשק האלקטרודה. השפעות אלה מאיצות את קצבי ההתגרענות, משפרות את פיזור החלקיקים ומאפשרות שליטה מדויקת יותר בגודל ובמורפולוגיה בהשוואה לסינתזה אלקטרוכימית קונבנציונלית.

בסינתזה של כחול פרוסי, הגישה הסונו־אלקטרוכימית מקלה על היווצרות ננו־חלקיקים בעלי גבישיות גבוהה ואחידות בגודלם בתנאים מתונים, ובכך מהווה שיטה רב־תכליתית הניתנת להגדלה בקנה מידה לייצור ננו־מבנים פונקציונליים בעלי יישומים בחישה, באגירת אנרגיה ובקטליזה.

סונו־אלקטרוכימיה במבחנת Falcon בנפח 50mL

עקרון הפעולה של סונו־אלקטרוכימיה

אולטרסאונד בעוצמה גבוהה ובתדירות נמוכה (בדרך כלל 20–30 kHz) בנוזלים משרה קוויטציה אקוסטית, כלומר היווצרות, גדילה וקריסה פנימה של מיקרו־בועות. קריסת הבועות הללו מובילה לתנאי קיצון מקומיים – טמפרטורות של עד ~5000 K, לחצים העולים על 1000 atm וקצבי חימום/קירור >10⁹ K/s. סביבות מיקרוסקופיות קיצוניות אלה מניעות התמרות כימיות שלא ניתן להשיג בדרך אחרת בתנאי הסביבה.

כאשר משלבים אולטרסאונד עם אלקטרוכימיה, המערכת מפיקה תועלת מכמה השפעות סינרגטיות:

• מעבר מסה משופר: זרימה אקוסטית ומיקרו־סילונים מקדמים הגעה מהירה של צורונים אלקטרואקטיביים אל פני האלקטרודה.
• שפעול פני השטח: שחיקה מכנית של פני האלקטרודה מסירה שכבות פסיבציה ומשפרת את אתרי ההתגרענות לצמיחת ננו־חלקיקים.
• סילוק גזים: אולטרסאונד מסלק בועות מימן או חמצן הנוצרות במהלך האלקטרוליזה, וכך שומר על מגע יעיל של האלקטרודה.
• תחלוב/הרחפה באתר התגובה: מסייעים לפיזור אחיד של חומרי מוצא וחומרי אילוח.

השפעות אלה, הנוצרות באמצעות אולטרסאונד, מקדמות סינתזה יעילה של ננו־מבנים, שהמורפולוגיה והתפלגות הגודל שלהם תלויות באופן מכריע בקינטיקת ההתגרענות והצמיחה.

מסלול השיקוע האלקטרוכימי

ההיווצרות האלקטרוכימית הקלאסית של כחול פרוסי (PB) כוללת חיזור של Fe³⁺ ושל צורוני הקסציאנופראט(III) או (II).

ניתן ליזום תגובה זו באופן אלקטרוכימי באלקטרודת עבודה, שבה ה־pH המקומי וסביבת החמצון־חיזור מסייעים לשיקוע המשותף של PB על פני האלקטרודה.

עירור של שתי האלקטרודות – כפי שמוצג באיור לעיל באמצעות שני מכשירי סוניקציה של Hielscher מדגם UIP2000hdT המספקים עד 2000 W לכל אלקטרודה – מבטיח שגם האנודה וגם הקתודה נתונות להשפעות הקוויטציה, ובכך מקדם שיקוע אחיד ופיזור חלקיקים בכל נפח התגובה.

השפעות האולטרסאונד על סינתזת כחול פרוסי

כאשר מפעילים אולטרסאונד בתוך התא האלקטרוכימי:

• קצב התגרענות מוגבר: בשל מעבר מסה מהיר, נוצרת רוויית יתר מקומית בקרבת האלקטרודה, המעודדת התגרענות הומוגנית.
• פיזור ננו־חלקיקים: בועות הקוויטציה מפרקות צברים הנמצאים בתהליך גדילה, ובכך מעודדות היווצרות חלקיקים קטנים יותר ואחידים יותר בגודלם.
• היווצרות רדיקלים: קוויטציה אקוסטית במים יוצרת רדיקלים מסוג •OH ו־•H, שעשויים להשפיע באופן עדין על כימיית החמצון־חיזור ועל מצב החמצון של מרכזי הברזל.

אלקטרודות אולטרסוניות לסינתזה סונו־אלקטרוכימית של ננו־חלקיקים

התכנון החדשני של מכשירי סוניקציה מסוג גשושית מאפשר להפוך סונוטרודה סטנדרטית לאלקטרודה הרוטטת בתדירות אולטרסונית, וכך להפעיל אנרגיה אקוסטית ישירות על האנודה או על הקתודה. גישה זו משפרת במידה ניכרת את הגעת האולטרסאונד לאלקטרודה ומאפשרת שילוב חלק במערכות אלקטרוכימיות קיימות, תוך הגדלה פשוטה של קנה המידה מהמעבדה לייצור תעשייתי.
בניגוד לתצורות מסורתיות – שבהן רק האלקטרוליט עובר סוניקציה בין שתי אלקטרודות נייחות – עירור ישיר של האלקטרודה מניב תוצאות עדיפות. זאת בזכות ביטול ההצללה האקוסטית ודפוסי התפשטות הגלים שאינם מיטביים, אשר מגבילים לעיתים קרובות את עוצמת הקוויטציה בפני האלקטרודה במערכים עקיפים.
התכנון המודולרי מאפשר הפעלה אולטרסונית עצמאית של אלקטרודת העבודה או של האלקטרודה הנגדית, והמשתמשים שומרים על שליטה מלאה במתח ובקוטביות במהלך הפעולה. Hielscher Ultrasonics מציעה אלקטרודות אולטרסוניות הניתנות להתקנה במערכות קיימות ותואמות למערכים אלקטרוכימיים סטנדרטיים, וכן תאים סונו־אלקטרוכימיים אטומים וכורים אלקטרוכימיים בעלי ביצועים גבוהים הפועלים בזרימה, לצורך פיתוח תהליכים מתקדם ופעולה רציפה.
לקריאה נוספת: https://www.hielscher.com/electro-sonication-ultrasonic-electrodes.htm
קראו עוד על המערך הסונו־אלקטרוכימי התעשייתי המשתמש במכשיר הסוניקציה מדגם UIP2000hdT (2000 ואט).

תכנון, ייצור וייעוץ – איכות תוצרת גרמניה

מכשירי הסוניקציה של Hielscher ידועים בסטנדרטים הגבוהים ביותר של איכות ותכנון. עמידות ותפעול קל מאפשרים שילוב חלק של מכשירי הסוניקציה שלנו במתקנים תעשייתיים. מכשירי הסוניקציה של Hielscher מתמודדים בקלות עם תנאים קשים וסביבות תובעניות.

Hielscher Ultrasonics היא חברה בעלת הסמכת ISO ושמה דגש מיוחד על מכשירי סוניקציה בעלי ביצועים גבוהים, המשלבים טכנולוגיה מתקדמת ביותר וידידותיות למשתמש. כמובן, מכשירי הסוניקציה של Hielscher תואמים לדרישות CE ועומדים בדרישות UL, CSA ו־RoHs.