सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल निक्षेपण
सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल निक्षेपण एक संश्लेषण तकनीक है, जो नैनोमटेरियल के अत्यधिक कुशल और पर्यावरण के अनुकूल उत्पादन के लिए सोनोकेमिस्ट्री और विद्युत रसायन को जोड़ती है। तेज़, सरल और प्रभावी तकनीक के रूप में प्रसिद्ध सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल निक्षेपण से नैनोकणों और नैनोकम्पोज़िट का नियंत्रित आकार में संश्लेषण किया जा सकता है।
नैनोकणों का सोनो-विद्युत निक्षेपण
नैनोकणों के संश्लेषण के उद्देश्य से किए जाने वाले सोनो-विद्युत निक्षेपण (जिसे सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल निक्षेपण, सोनोकेमिकल विद्युतलेपन या सोनोकेमिकल विद्युत निक्षेपण भी कहा जाता है) में एक या दो अल्ट्रासोनिक प्रोब (सोनोट्रोड या हॉर्न) का उपयोग इलेक्ट्रोड के रूप में किया जाता है। सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल निक्षेपण की विधि अत्यधिक कुशल होने के साथ-साथ संचालन में सरल और सुरक्षित भी है, जिससे बड़ी मात्रा में नैनोकणों और नैनोसंरचनाओं का संश्लेषण किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल निक्षेपण एक तीव्रित प्रक्रिया है, अर्थात सोनिकेशन विद्युत अपघटन प्रक्रिया को तेज़ करता है, जिससे अभिक्रिया अधिक प्रभावकारी परिस्थितियों में चलाई जा सकती है।
निलंबनों पर उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड लागू करने से स्थूल स्तर के प्रवाह और सूक्ष्म स्तर के अंतरापृष्ठीय कैविटेशन बलों के कारण द्रव्यमान स्थानांतरण प्रक्रियाओं में उल्लेखनीय वृद्धि होती है। अल्ट्रासोनिक इलेक्ट्रोड (सोनो-इलेक्ट्रोड) पर अल्ट्रासोनिक कंपन और कैविटेशन अभिक्रिया उत्पादों को इलेक्ट्रोड की सतह से लगातार हटाते रहते हैं। किसी भी निष्क्रियकारी निक्षेप को हटाने से इलेक्ट्रोड की सतह नए कणों के संश्लेषण के लिए लगातार उपलब्ध रहती है।
अल्ट्रासाउंड से उत्पन्न कैविटेशन चिकने और एकसमान नैनोकणों के निर्माण को बढ़ावा देता है, जो द्रव प्रावस्था में समांगी रूप से वितरित होते हैं।
प्रोब वाले 2x अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर, जिनके प्रोब इलेक्ट्रोड, अर्थात कैथोड और ऐनोड के रूप में कार्य करते हैं। अल्ट्रासाउंड कंपन और कैविटेशन विद्युतरासायनिक प्रक्रियाओं को बढ़ावा देते हैं।
- नैनोकण
- कोर-शेल नैनोकण
- नैनोकणों से सुसज्जित आधार
- नैनोसंरचनाएँ
- नैनोकम्पोज़िट
- लेप
नैनोकणों का सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल निक्षेपण
जब किसी द्रव विद्युत अपघट्य पर अल्ट्रासोनिक क्षेत्र लागू किया जाता है, तो ध्वनिक प्रवाह और सूक्ष्म जेट निर्माण, आघात तरंगों, इलेक्ट्रोड से/की ओर द्रव्यमान स्थानांतरण में वृद्धि और सतह की सफ़ाई (निष्क्रियकारी परतों को हटाना) जैसी विविध अल्ट्रासोनिक कैविटेशन घटनाएँ विद्युत निक्षेपण / विद्युतलेपन प्रक्रियाओं को बढ़ावा देती हैं। विद्युत निक्षेपण / विद्युतलेपन पर सोनिकेशन के लाभकारी प्रभाव अनेक नैनोकणों के लिए पहले ही प्रदर्शित किए जा चुके हैं, जिनमें धात्विक नैनोकण, अर्धचालक नैनोकण, कोर-शेल नैनोकण और डोप किए गए नैनोकण शामिल हैं।
सोनोकेमिकल विधि से विद्युत निक्षेपित Cr, Cu और Fe जैसे धात्विक नैनोकणों की कठोरता में उल्लेखनीय वृद्धि देखी जाती है, जबकि Zn में संक्षारण प्रतिरोध बढ़ता है।
Mastai et al. (1999) ने सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल निक्षेपण द्वारा CdSe नैनोकणों का संश्लेषण किया। विभिन्न विद्युत निक्षेपण और अल्ट्रासोनिक मापदंडों का समायोजन करके CdSe नैनोकणों के क्रिस्टल आकार को एक्स-रे अमोर्फ अवस्था से लेकर 9 nm तक (स्फैलेराइट प्रावस्था) बदला जा सकता है।
Ashassi-Sorkhabi और Bagheri (2014) ने 4 mA/cm2 के धारा घनत्व वाली गैल्वैनोस्टैटिक तकनीक का उपयोग करके ऑक्सैलिक अम्ल माध्यम में St-12 इस्पात पर पॉलीपाइरोल (PPy) के सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल संश्लेषण के लाभ प्रदर्शित किए। अल्ट्रासोनिकेटर UP400S से निम्न-आवृत्ति अल्ट्रासाउंड के प्रत्यक्ष अनुप्रयोग के परिणामस्वरूप पॉलीपाइरोल की सतह संरचनाएँ अधिक सघन और अधिक समांगी बनीं। परिणामों से पता चला कि अल्ट्रासोनिक विधि से तैयार नमूनों का लेप प्रतिरोध (Rcoat), संक्षारण प्रतिरोध (Rcorr) और वारबर्ग प्रतिरोध, अल्ट्रासाउंड के बिना संश्लेषित पॉलीपाइरोल की तुलना में अधिक था। स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी की छवियों ने विद्युत निक्षेपण के दौरान कणों की आकारिकी पर अल्ट्रासोनिकेशन के सकारात्मक प्रभावों को दर्शाया: परिणाम बताते हैं कि सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल संश्लेषण से पॉलीपाइरोल के मज़बूती से चिपकने वाले और चिकने लेप प्राप्त होते हैं। सोनो-विद्युत निक्षेपण के परिणामों की पारंपरिक विद्युत निक्षेपण से तुलना करने पर स्पष्ट होता है कि सोनोइलेक्ट्रोकेमिस्ट्री विधि से तैयार लेपों का संक्षारण प्रतिरोध अधिक होता है। विद्युतरासायनिक सेल के सोनिकेशन से द्रव्यमान स्थानांतरण बढ़ता है और कार्यशील इलेक्ट्रोड की सतह सक्रिय होती है। ये प्रभाव पॉलीपाइरोल के अत्यधिक कुशल, उच्च-गुणवत्ता वाले संश्लेषण में महत्वपूर्ण योगदान देते हैं।
St-12 इस्पात पर (a) PPy और (b) सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल विधि से निक्षेपित पॉलीपाइरोल (PPy-US) लेपों की SEM छवियाँ (7500× आवर्धन)
(अध्ययन और चित्र: © Ashassi-Sorkhabi and Bagheri, 2014)
सोनोकेमिकल विद्युत निक्षेपण से नैनोकणों, कोर-शेल नैनोकणों, नैनोकणों से लेपित आधार और नैनोसंरचित पदार्थों का उत्पादन किया जा सकता है।
(चित्र और अध्ययन: ©Islam et al. 2019)
नैनोकम्पोज़िट का सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल निक्षेपण
विद्युत निक्षेपण के साथ अल्ट्रासोनिकेशन का संयोजन प्रभावकारी है और इससे नैनोकम्पोज़िट का सरलता से संश्लेषण किया जा सकता है।
Kharitonov et al. (2021) ने यांत्रिक और अल्ट्रासोनिक मिश्रण के अंतर्गत ऑक्सैलिक अम्ल के ऐसे बाथ से सोनोकेमिकल विद्युत निक्षेपण द्वारा नैनोकम्पोज़िट Cu–Sn–TiO2 लेपों का संश्लेषण किया, जिसमें अतिरिक्त रूप से 4 g/dm3 TiO2 मौजूद था। अल्ट्रासाउंड उपचार Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर UP200Ht से 26 kHz आवृत्ति और 32 W/dm3 शक्ति पर किया गया। परिणामों ने प्रदर्शित किया कि अल्ट्रासोनिक मिश्रण TiO2 कणों के गुच्छीकरण को कम करता है और सघन Cu–Sn–TiO2 नैनोकम्पोज़िट के निक्षेपण को संभव बनाता है। पारंपरिक यांत्रिक मिश्रण की तुलना में, सोनिकेशन के अंतर्गत निक्षेपित Cu–Sn–TiO2 लेपों में अधिक समांगता और अधिक चिकनी सतह पाई जाती है। सोनिकेशन किए गए नैनोकम्पोज़िट में अधिकांश TiO2 कण Cu–Sn मैट्रिक्स में अंतर्निहित थे। अल्ट्रासाउंड मिश्रण का उपयोग TiO2 नैनोकणों के सतही वितरण को बेहतर बनाता है और समुच्चयन को बाधित करता है।
यह दर्शाया गया है कि अल्ट्रासाउंड-सहायित विद्युत निक्षेपण से बने नैनोकम्पोज़िट Cu–Sn–TiO2 लेप E. coli जीवाणुओं के विरुद्ध उत्कृष्ट रोगाणुरोधी गुण प्रदर्शित करते हैं।
0.5 A/dm2 और 1.0 A/dm2 के कैथोडिक धारा घनत्व पर सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल विधि से निक्षेपित Cu–Sn–TiO2 लेपों की SEM छवियाँ।
(अध्ययन और चित्र: © Kharitonov et al., 2021)
उच्च-प्रदर्शन सोनोइलेक्ट्रोकेमिकल उपकरण
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साहित्य / संदर्भ
- Dmitry S. Kharitonov, Aliaksandr A. Kasach, Denis S. Sergievich, Angelika Wrzesińska, Izabela Bobowska, Kazimierz Darowicki, Artur Zielinski, Jacek Ryl, Irina I. Kurilo (2021): Ultrasonic-assisted electrodeposition of Cu-Sn-TiO2 nanocomposite coatings with enhanced antibacterial activity. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 75, 2021.
- Ashassi-Sorkhabi, Habib; Bagheri, Robabeh (2014): Sonoelectrochemical and Electrochemical Synthesis of Polypyrrole Films on St-12 Steel and Their Corrosion and Morphological Studies. Advances in Polymer Technology 2014.
- Hyde, Michael; Compton, Richard (2002): How ultrasound influence the electrodeposition of metals. Journal of Electroanalytical Chemistry 531, 2002. 19-24.
- Mastai, Y., Polsky, R., Koltypin, Y., Gedanken, A., & Hodes, G. (1999): Pulsed Sonoelectrochemical Synthesis of Cadmium Selenide Nanoparticles. Journal of the American Chemical Society, 121(43), 1999. 10047–10052.
- Josiel Martins Costa, Ambrósio Florêncio de Almeida Neto (2020): Ultrasound-assisted electrodeposition and synthesis of alloys and composite materials: A review. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 68, 2020.
Hielscher Ultrasonics उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र का निर्माण करता है, जिनके आकार प्रयोगशाला स्तर से औद्योगिक स्तर तक होते हैं।