שיקוע סונואלקטרוכימי

שיקוע סונואלקטרוכימי הוא טכניקת סינתזה המשלבת סונוכימיה ואלקטרוכימיה לייצור יעיל ביותר וידידותי לסביבה של ננו־חומרים. שיקוע סונואלקטרוכימי, הידוע כמהיר, פשוט ויעיל, מאפשר סינתזה של ננו־חלקיקים וננו־מרוכבים תוך שליטה בצורתם.

שיקוע סונואלקטרוכימי של ננו־חלקיקים

לצורך שיקוע סונואלקטרוכימי (המכונה גם ציפוי אלקטרוכימי סונוכימי או שיקוע אלקטרוכימי סונוכימי) שמטרתו סינתזה של ננו־חלקיקים, משתמשים בגשוש אולטרסוני אחד או בשניים (סונוטרודות או קרניים) כאלקטרודות. שיטת השיקוע הסונואלקטרוכימי יעילה ביותר וגם פשוטה ובטוחה לתפעול, וכך מאפשרת לסנתז ננו־חלקיקים וננו־מבנים בכמויות גדולות. בנוסף, שיקוע סונואלקטרוכימי הוא תהליך מוגבר, כלומר הסוניקציה מאיצה את תהליך האלקטרוליזה כך שניתן לבצע את התגובה בתנאים יעילים יותר.
הפעלת אולטרסאונד רב־עוצמה על תרחיפים מגבירה באופן משמעותי את תהליכי מעבר המסה עקב זרימה מקרוסקופית וכוחות קוויטציה מיקרוסקופיים בממשקים. באלקטרודות אולטרסוניות (סונו־אלקטרודות), הרטט האולטרסוני והקוויטציה מסירים ברציפות את תוצרי התגובה מפני האלקטרודה. הסרת כל המשקעים הגורמים לפסיבציה משאירה את פני האלקטרודה זמינים ברציפות לסינתזה של חלקיקים חדשים.
קוויטציה הנוצרת באמצעות אולטרסאונד מעודדת היווצרות של ננו־חלקיקים חלקים ואחידים, המפוזרים באופן הומוגני בפאזה הנוזלית.

שיקוע סונואלקטרוכימי של ננו־חלקיקים

כאשר מפעילים שדה אולטרסוני על אלקטרוליט נוזלי, תופעות שונות של קוויטציה אולטרסונית, כגון זרימה אקוסטית ומיקרו־סילונים, גלי הלם, הגברת מעבר המסה מהאלקטרודה ואליה וניקוי פני השטח (הסרת שכבות פסיבציה), מקדמות תהליכי שיקוע אלקטרוכימי / ציפוי אלקטרוכימי. ההשפעות המועילות של סוניקציה על שיקוע אלקטרוכימי / ציפוי אלקטרוכימי כבר הודגמו עבור ננו־חלקיקים רבים, ובהם ננו־חלקיקים מתכתיים, ננו־חלקיקים של מוליכים למחצה, ננו־חלקיקים במבנה ליבה–מעטפת וננו־חלקיקים מסוממים.
ננו־חלקיקים מתכתיים כגון Cr, Cu ו־Fe, ששוקעו אלקטרוכימית בסיוע סונוכימיה, מציגים עלייה משמעותית בקשיות, ואילו Zn מציג עמידות מוגברת בפני קורוזיה.
Mastai ועמיתיו (1999) סינתזו ננו־חלקיקי CdSe באמצעות שיקוע סונואלקטרוכימי. התאמת פרמטרים שונים של השיקוע האלקטרוכימי והאולטרסאונד מאפשרת לשנות את גודל הגבישים בננו־חלקיקי CdSe ממצב אמורפי לפי עקיפת קרני רנטגן ועד 9 nm (פאזת ספלריט).

Ashassi-Sorkhabi ו־Bagheri (2014) הדגימו את יתרונות הסינתזה הסונואלקטרוכימית של פוליפירול (PPy) על פלדת St-12 בתווך של חומצה אוקסלית, תוך שימוש בטכניקה גלוונוסטטית בצפיפות זרם של 4 mA/cm2. הפעלה ישירה של אולטרסאונד בתדר נמוך באמצעות המכשיר האולטרסוני UP400S הובילה למבני פני שטח צפופים והומוגניים יותר של פוליפירול. התוצאות הראו כי התנגדות הציפוי (Rcoat), העמידות בפני קורוזיה (Rcorr) והתנגדות ורבורג של דגימות שהוכנו באמצעות אולטרסאונד היו גבוהות מאלו של פוליפירול שסונתז ללא אולטרסאונד. תמונות ממיקרוסקופיית אלקטרונים סורקת המחישו את ההשפעות החיוביות של טיפול אולטרסוני במהלך השיקוע האלקטרוכימי על מורפולוגיית החלקיקים: התוצאות מגלות כי הסינתזה הסונואלקטרוכימית מניבה ציפויי פוליפירול חלקים ובעלי היצמדות חזקה. מהשוואת תוצאות השיקוע הסונואלקטרוכימי לתוצאות השיקוע האלקטרוכימי הקונבנציונלי עולה בבירור כי לציפויים שהוכנו בשיטת הסונואלקטרוכימיה עמידות גבוהה יותר בפני קורוזיה. סוניקציה של התא האלקטרוכימי מביאה להגברת מעבר המסה ולשפעול פני השטח של אלקטרודת העבודה. השפעות אלו תורמות באופן משמעותי לסינתזה יעילה ביותר ואיכותית של פוליפירול.

תמונות SEM של ציפויי (a) PPy ו־(b) פוליפירול ששוקע בשיקוע סונואלקטרוכימי (PPy-US) על פלדת St-12 (הגדלה של 7500×)
(מחקר ותמונות: © Ashassi-Sorkhabi and Bagheri, 2014)

שיקוע סונואלקטרוכימי של ננו־מרוכבים

השילוב של טיפול אולטרסוני עם שיקוע אלקטרוכימי יעיל ומאפשר סינתזה קלה של ננו־מרוכבים.
Kharitonov ועמיתיו (2021) סינתזו ציפויי ננו־מרוכבים מסוג Cu–Sn–TiO2 באמצעות שיקוע אלקטרוכימי סונוכימי מאמבט חומצה אוקסלית שהכיל בנוסף 4 g/dm3 TiO2, תוך ערבול מכני ואולטרסוני. הטיפול האולטרסוני בוצע באמצעות המכשיר האולטרסוני UP200Ht של Hielscher בתדר של 26 kHz ובהספק של 32 W/dm3. התוצאות הראו כי ערבול אולטרסוני מפחית אגלומרציה של חלקיקי TiO2 ומאפשר שיקוע של ננו־מרוכבים צפופים מסוג Cu–Sn–TiO2. בהשוואה לערבול מכני קונבנציונלי, ציפויי Cu–Sn–TiO2 ששוקעו תחת סוניקציה מתאפיינים בהומוגניות גבוהה יותר ובפני שטח חלקים יותר. בננו־מרוכבים שעברו סוניקציה, רוב חלקיקי ה־TiO2 היו משובצים במטריצת Cu–Sn. הוספת ערבול אולטרסוני משפרת את פיזור ננו־חלקיקי ה־TiO2 על פני השטח ומעכבת אגרגציה.
הוכח כי ציפויי ננו־מרוכבים מסוג Cu–Sn–TiO2 שנוצרו באמצעות שיקוע אלקטרוכימי בסיוע אולטרסאונד מציגים תכונות אנטימיקרוביאליות מצוינות נגד חיידקי E. coli.

תמונות SEM של ציפויי Cu–Sn–TiO2 ששוקעו בשיקוע סונואלקטרוכימי בצפיפות זרם קתודי של 0.5 A/dm2 ושל 1.0 A/dm2.
(מחקר ותמונות: © Kharitonov et al., 2021)

ציוד סונואלקטרוכימי בעל ביצועים גבוהים

Hielscher Ultrasonics מספקת ציוד אולטרסוני בעל ביצועים גבוהים לשיקוע סונואלקטרוכימי / ציפוי סונואלקטרוכימי אמין ויעיל של ננו־חומרים. מגוון המוצרים כולל מערכות אולטרסאונד בהספק גבוה, סונו־אלקטרודות, כורים ותאים ליישום השיקוע הסונואלקטרוכימי שלכם.