Sonoelektrokemijska sinteza poboljšava učinkovitost u kemijskoj proizvodnji
, Kathrin Hielscher, objavljeno u rubrici Novosti tvrtke Hielscher
Snažna kombinacija ultrazvuka velike snage i električne energije preobražava industrijsku kemiju. Sve veći broj istraživanja upućuje na to da budućnost čišće, brže i učinkovitije kemijske proizvodnje leži u neočekivanom spoju: ultrazvuku i elektrokemiji. Ova nova tehnika, poznata kao sonoelektrokemijska sinteza, upotrebljava ultrazvuk velike snage za izrazito poboljšanje elektrokemijskih reakcija – i već pokazuje velik potencijal za industrijsku primjenu uz mogućnost povećanja opsega.
U središtu ove tehnološke promjene nalaze se sonoelektrode industrijske kvalitete, poput onih koje je razvio Hielscher Ultrasonics, koje omogućuju primjenu ultrazvučne energije izravno na elektrokemijskoj međupovršini.
Zašto su zvučni valovi važni u elektrokemiji
U tradicionalnoj elektrosintezi brzine reakcija i prinosi često su ograničeni prijenosom tvari – kretanjem reaktanata iz glavnine otopine prema površini elektrode. Nastajanje plinskih mjehurića, pasivacija elektroda i omski gubici dodatno smanjuju učinkovitost.
Sonikacija potpuno mijenja tu sliku.
Istraživanja pokazuju da ukupno poboljšanje prijenosa tvari sonikacijom povećava i strujnu učinkovitost i prinos proizvoda. Pri primjeni ultrazvuka velike snage nastaju mikroskopski kavitacijski mjehurići koji se silovito urušavaju blizu površine elektrode. Ta pojava stvara akustičko strujanje i lokalizirane mikromlazove, neprestano obnavljajući međupovršinu elektrode.
Industrijski sonikator koji pospješuje elektrokemijske reakcije
Elektrosonikacija uz upotrebu sonotrode i stijenke reaktora kao elektroda.
- Brža doprema elektroaktivnih vrsta
- Ujednačenije miješanje u blizini elektroda
- Poboljšana električna učinkovitost
- Sprječavanje pasivacije elektroda
Uklanjanje mjehurića, povećanje struje
Jedna od najznačajnijih prednosti sonoelektrokemije jest njezina sposobnost trenutačnog uklanjanja plinskih mjehurića.
Tijekom mnogih elektrokemijskih reakcija na površini elektrode nastaju plinovi poput vodika ili kisika, koji djeluju kao izolacijski slojevi i smanjuju aktivnu površinu. Dokazano je da ultrazvuk velike snage – osobito u području od 20 kHz – gotovo trenutačno uklanja plinske mjehuriće i s površine elektrode i iz elektrolita.
To dovodi do dva glavna učinka:
- Veće radne struje jer elektroda ostaje potpuno aktivna
- Manji omski pad napona u ćeliji i smanjen prenapon reakcije, čime se poboljšava ukupna energetska učinkovitost
Jednostavno rečeno, ultrazvuk pomaže električnoj energiji da bolje obavlja svoju zadaću.
Graf nastajanja vodikova peroksida u ovisnosti o vremenu u elektrokemijskim uvjetima (kvadrati) te u sonoelektrokemijskim uvjetima uz ultrazvuk male snage (rombovi) i ultrazvuk velike snage (trokuti).
Graf i istraživanje: González-García i sur., 2007
Najnapredniji pristup: ultrazvučne elektrode
Iako su ultrazvučne kupelji i sonde ispitivane u laboratorijskim postavima, istraživači se sve više slažu da se najsofisticiraniji i najučinkovitiji oblik sonoelektrosinteze postiže upotrebom ultrazvučnih elektroda.
Hielscher Ultrasonics razvio je sonoelektrode koje se mogu jednostavno integrirati u elektrokemijske ćelije, omogućujući izravnu, lokaliziranu primjenu ultrazvuka visokog intenziteta upravo ondje gdje je najvažniji – na međupovršini elektrode i elektrolita.
Ovi su sustavi namijenjeni za:
- Rad s kontinuiranim protokom
- Obradu velikom snagom na industrijskoj razini
- Ponovljive uvjete reakcije koje je moguće kontrolirati
Time sonoelektrokemija prestaje biti tek laboratorijska zanimljivost i postaje održiva industrijska tehnologija.
Postav za elektrosonikaciju u malom opsegu
Rješenje s mogućnošću povećanja opsega za ekološki prihvatljiviju kemiju
Sonoelektrokemija nudi privlačan skup alata industrijama koje teže većoj učinkovitosti i manjoj potrošnji energije. Kombiniranjem elektrokemije s ultrazvukom velike snage proizvođači mogu:
- Poboljšati prijenos tvari bez mehaničkog miješanja
- Povećati prinose bez dodatnih reagensa
- Smanjiti gubitke energije povezane s otporom i prenaponom
- Poboljšati stabilnost procesa i produljiti vijek trajanja elektroda
Kako održivost i elektrifikacija nastavljaju poticati inovacije u kemijskoj proizvodnji, sonoelektrokemijska sinteza ističe se kao energetski učinkovito rješenje s mogućnošću povećanja opsega.
Uz ultrazvučne elektrode industrijske kvalitete tvrtke Hielscher Ultrasonics, ono što je nekada zahtijevalo složena zaobilazna rješenja sada se može postići samom fizikom – upotrebom zvuka kako bi kemija postala brža, čišća i učinkovitija.
Zaključno: kada se električna energija i ultrazvuk kombiniraju, kemija se ne poboljšava samo općenito – postižu se veći prinosi i ubrzavaju reakcije.
Postav za sonoelektrokemijsku (SEC) sintezu koji se sastoji od ultrazvučne elektrode i protočne ćelije
Literatura / reference
- Tiexin Li, Zane Datson, Sufia Hena, Steven Chang, Shane Werry, Leqi Zhao, Nasim Amiralian, Tejas Bhatelia, Francisco J. Lopez-Ruiz, Melanie MacGregor, K. Swaminathan Iyer, Simone Ciampi, Muhammad J. A. Shiddiky, Nadim Darwish (2025): Sonochemical Functionalization of Glass. Advanced Functional Materials 2025, 35, 2420485.
- A. Sánchez-Carretero, M.A. Rodrigo, P. Cañizares, C. Sáez (2010): Electrochemical synthesis of ferrate in presence of ultrasound using boron doped diamond anodes. Electrochemistry Communications, Volume 12, Issue 5, 2010. 644-646.
- José González-García, Ludovic Drouin, Craig E. Banks, Biljana Šljukić, Richard G. Compton (2007): At point of use sono-electrochemical generation of hydrogen peroxide for chemical synthesis: The green oxidation of benzonitrile to benzamide. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 14, Issue 2, 2007. 113-116.
- F.L. Souza, C. Saéz, M.R.V. Lanza, P. Cañizares, M.A. Rodrigo (2015): Removal of herbicide 2,4-D using conductive diamond sono-electrochemical oxidation. Separation and Purification Technology, Volume 149, 2015. 24-30.
- Ojo B.O., Arotiba O.A., Mabuba N. (2022): Sonoelectrochemical oxidation of sulfamethoxazole in simulated and actual wastewater on a piezo-polarizable FTO/BaZr x Ti(1-x)O3 electrode: reaction kinetics, mechanism and reaction pathway studies. RSC Advances 2022;12(48):30892-30905.
Često postavljana pitanja
Što je elektrokemija?
Elektrokemija je grana kemije koja proučava kemijske reakcije koje uključuju prijenos elektrona, pri čemu se električna energija pretvara u kemijsku energiju ili obrnuto putem reakcija koje se odvijaju na elektrodama u elektrolitu.
Što je sonoelektrokemija?
Sonoelektrokemija je područje elektrokemije u kojem se tijekom elektrokemijskih reakcija primjenjuje ultrazvuk velike snage kako bi se akustičkim strujanjem i kavitacijom poboljšao prijenos tvari, uklonili plinski mjehurići s površina elektroda, spriječila pasivacija elektroda te poboljšale brzine reakcija, prinosi i energetska učinkovitost.
Koji se materijali uobičajeno sintetiziraju sonoelektrokemijom?
Materijali koji se uobičajeno sintetiziraju sonoelektrokemijom uključuju nanočestice metala i metalnih oksida, vodljive polimere, vodik i kisik dobivene elektrolizom vode, specijalne kemikalije, fine kemikalije i elektrokatalitičke materijale, uz poboljšanu kontrolu morfologije i čistoće u usporedbi s konvencionalnom elektrosintezom.
Koje industrije upotrebljavaju sonoelektrokemiju?
Sonoelektrokemija se upotrebljava u industrijama i područjima kao što su kemijska proizvodnja, farmaceutska industrija, proizvodnja energije i vodika, razvoj baterija i gorivnih članaka, znanost o materijalima, površinska obrada i premazi te pročišćavanje otpadnih voda, gdje su poboljšana učinkovitost i mogućnost povećanja opsega obrade ključni.
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi u rasponu od laboratorijskih do industrijskih veličina.