Sonoelektrokemijsko taloženje
Sonoelektrokemijsko taloženje je tehnika sinteze koja kombinira sonokemiju i elektrokemiju za visoko učinkovitu i ekološki prihvatljivu proizvodnju nanomaterijala. Poznato kao brzo, jednostavno i učinkovito, sonoelektrokemijsko taloženje omogućuje oblikom kontroliranu sintezu nanočestica i nanokompozita.
Sonoelektrodepozicija nanočestica
Za sonoelektrotaloženje (također sonoelektrokemijsko taloženje, sonokemijsko galvaniziranje ili sonokemijsko elektrotaloženje) u svrhu sinteze nanočestica, jedna ili dvije ultrazvučne sonde (sonotrode ili rogovi) koriste se kao elektrode. Metoda sonoelektrokemijskog taloženja je vrlo učinkovita te jednostavna i sigurna za korištenje, što omogućuje sintetiziranje nanočestica i nanostruktura u velikim količinama. Dodatno, sonoelektrokemijsko taloženje je intenzivirani proces, što znači da sonikacija ubrzava proces elektrolize tako da se reakcija može izvoditi pod učinkovitijim uvjetima.
Primjena snažnog ultrazvuka na suspenzije značajno povećava procese prijenosa mase zbog makroskopskog strujanja i mikroskopskih kavitacijskih sila na međupovršini. Na ultrazvučnim elektrodama (sono-elektrodama), ultrazvučne vibracije i kavitacija kontinuirano uklanjaju produkte reakcije s površine elektrode. Uklanjanjem svih pasivizirajućih naslaga, površina elektrode je kontinuirano dostupna za sintezu novih čestica.
Kavitacija generirana ultrazvukom potiče stvaranje glatkih i jednolikih nanočestica koje su homogeno raspoređene u tekućoj fazi.
2x ultrazvučna procesora sa sondama, koje djeluju kao elektrode tj. katoda i anoda. Ultrazvučne vibracije i kavitacija potiču elektrokemijske procese.
- nanočestice
- nanočestice jezgra-ljuska
- Potpora ukrašena nanočesticama
- nanostrukture
- nanokompoziti
- premazi
Sonoelektrokemijsko taloženje nanočestica
Kada se ultrazvučno polje primijeni na tekući elektrolit, različiti fenomeni ultrazvučne kavitacije kao što su akustično strujanje i mikromlaz, udarni valovi, poboljšanje prijenosa mase s/na elektrodu i čišćenje površine (uklanjanje pasivizirajućih slojeva) potiču procese elektrotaloženja/galvanizacije . Blagotvorni učinci sonikacije na elektrotaloženje/galvanizaciju već su dokazani za brojne nanočestice, uključujući metalne nanočestice, nanočestice poluvodiča, nanočestice jezgre i ljuske i dopirane nanočestice.
Sonokemijski elektrodeponirane metalne nanočestice kao što su Cr, Cu i Fe pokazuju značajno povećanje tvrdoće, dok Zn pokazuje povećanu otpornost na koroziju.
Mastai i sur. (1999) sintetizirali su nanočestice CdSe putem sonoelektrokemijskog taloženja. Podešavanje različitih elektrotaloženih i ultrazvučnih parametara omogućuje modifikaciju veličine kristala nanočestica CdSe od amorfnih rendgenskih zraka do 9 nm (faza sfalerita).
Ashassi-Sorkhabi i Bagheri (2014.) demonstrirali su prednosti sono-elektrokemijske sinteze polipirola (PPy) na čeliku St-12 u mediju oksalne kiseline korištenjem galvanostatske tehnike s gustoćom struje od 4 mA/cm2. Izravna primjena niskofrekventnog ultrazvuka pomoću ultrasonikatora UP400S dovela je do kompaktnijih i homogenijih površinskih struktura polipirola. Rezultati su pokazali da su otpornost premaza (Rcoat), otpornost na koroziju (Rcorr) i otpornost prema Warburgu ultrazvučno pripremljenih uzoraka bili viši nego kod neultrazvučno sintetiziranog polipirola. Slike skenirajuće elektronske mikroskopije vizualizirale su pozitivne učinke ultrazvučne obrade tijekom elektrotaloženja na morfologiju čestica: rezultati otkrivaju da sonoelektrokemijska sinteza daje čvrsto prianjajuće i glatke premaze polipirola. Uspoređujući rezultate sonoelektrotaloženja s konvencionalnim elektrotaloženjem, jasno je da premazi pripremljeni sonoelektrokemijskom metodom imaju veću otpornost na koroziju. Sonikacija elektrokemijske ćelije rezultira poboljšanim prijenosom mase i aktivacijom površine radne elektrode. Ovi učinci značajno doprinose visoko učinkovitoj, visokokvalitetnoj sintezi polipirola.
SEM slike (a) PPy i (b) sonoelektrokemijski taloženih polipirolskih (PPy-US) prevlaka na čeliku St-12 (povećanje od 7500×)
(studija i slike: © Ashassi-Sorkhabi i Bagheri, 2014.)
Sonokemijsko elektrotaloženje omogućuje proizvodnju nanočestica, nanočestica jezgre i ljuske, potpore obložene nanočesticama i nanostrukturiranih materijala.
(slika i studija: ©Islam et al. 2019)
Sonoelektrokemijsko taloženje nanokompozita
Kombinacija ultrazvučne obrade s elektrotaloženjem je učinkovita i omogućuje laku sintezu nanokompozita.
Kharitonov i sur. (2021) sintetizirali su nanokompozitne Cu–Sn–TiO2 prevlake sonokemijskom elektrodepozicijom iz kupelji oksalne kiseline koja dodatno sadrži 4 g/dm3 TiO2 uz mehaničko i ultrazvučno miješanje. Tretman ultrazvukom proveden je Hielscher ultrasonicatorom UP200Ht na frekvenciji 26 kHz i snazi 32 W/dm3. Rezultati su pokazali da ultrazvučno miješanje smanjuje aglomeraciju čestica TiO2 i omogućuje taloženje gustih nanokompozita Cu–Sn–TiO2. U usporedbi s konvencionalnim mehaničkim miješanjem, Cu–Sn–TiO2 prevlake nanesene sonikacijom karakterizira veća homogenost i glatkija površina. U ultrazvučno obrađenim nanokompozitima, većina čestica TiO2 bila je ugrađena u Cu–Sn matricu. Uvođenjem ultrazvučnog miješanja poboljšava se površinska raspodjela nanočestica TiO2 i sprječava agregacija.
Pokazalo se da nanokompozitne prevlake Cu–Sn–TiO2 formirane elektrotaloženjem potpomognutim ultrazvukom pokazuju izvrsna antimikrobna svojstva protiv bakterije E. coli.
SEM slike sono-elektrokemijski taloženih Cu–Sn–TiO2 prevlaka pri katodnoj gustoći struje od 0,5 A/dm2 i 1,0 A/dm2.
(studija i slike: © Kharitonov et al., 2021.)
Ultrazvučna sonda djeluje kao elektroda. Ultrazvučni valovi potiču elektrokemijske reakcije koje rezultiraju poboljšanom učinkovitošću, većim prinosima i bržim stopama konverzije.
Sonoelektrokemija značajno poboljšava procese elektrotaloženja.
Sonoelektrokemijska oprema visokih performansi
Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučnu opremu visokih performansi za pouzdanu i učinkovitu sonoelektrodepoziciju / sonoelektroplatiranje nanomaterijala. Asortiman proizvoda uključuje ultrazvučne sustave velike snage, sono-elektrode, reaktore i ćelije za vašu sono-elektrokemijsku primjenu.
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Sonda ultrazvučnog uređaja UIP2000hdT djeluje kao elektroda u sonoelektrokemijskoj postavci za sintezu nanočestica.
Literatura / Reference
- 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 proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.