Sonoelektrokemijsko taloženje

Sonoelektrokemijsko taloženje tehnika je sinteze koja objedinjuje sonokemiju i elektrokemiju za vrlo učinkovitu i ekološki prihvatljivu proizvodnju nanomaterijala. Poznato kao brzo, jednostavno i učinkovito, sonoelektrokemijsko taloženje omogućuje sintezu nanočestica i nanokompozita uz kontrolu njihova oblika.

Sonoelektrotaloženje nanočestica

Za sonoelektrotaloženje (također sonoelektrokemijsko taloženje, sonokemijsko galvaniziranje ili sonokemijsko elektrotaloženje) radi sinteze nanočestica kao elektrode upotrebljavaju se jedna ili dvije ultrazvučne sonde (sonotrode ili rogovi). Metoda sonoelektrokemijskog taloženja vrlo je učinkovita te jednostavna i sigurna za primjenu, što omogućuje sintezu nanočestica i nanostruktura u velikim količinama. Osim toga, sonoelektrokemijsko taloženje intenziviran je proces, što znači da sonikacija ubrzava proces elektrolize tako da se reakcija može provoditi u učinkovitijim uvjetima.
Primjena ultrazvuka velike snage na suspenzije znatno pospješuje procese prijenosa mase zahvaljujući makroskopskom strujanju i mikroskopskim kavitacijskim silama na međufaznim površinama. Na ultrazvučnim elektrodama (sonoelektrodama) ultrazvučne vibracije i kavitacija neprekidno uklanjaju produkte reakcije s površine elektrode. Uklanjanjem svih pasivirajućih naslaga površina elektrode ostaje neprekidno dostupna za sintezu novih čestica.
Kavitacija nastala djelovanjem ultrazvuka potiče stvaranje glatkih i ujednačenih nanočestica koje su homogeno raspoređene u tekućoj fazi.

Sonoelektrokemijsko taloženje nanočestica

Kada se ultrazvučno polje primijeni na tekući elektrolit, različite pojave ultrazvučne kavitacije, poput akustičkog strujanja i stvaranja mikromlazova, udarnih valova, poboljšanog prijenosa mase s elektrode i prema elektrodi te čišćenja površine (uklanjanja pasivirajućih slojeva), potiču procese elektrotaloženja / galvaniziranja. Povoljni učinci sonikacije na elektrotaloženje / galvaniziranje već su dokazani za brojne nanočestice, uključujući metalne nanočestice, poluvodičke nanočestice, nanočestice s jezgrom i ljuskom te dopirane nanočestice.
Metalne nanočestice dobivene sonokemijskim elektrotaloženjem, poput Cr, Cu i Fe, pokazuju znatno povećanje tvrdoće, dok Zn pokazuje povećanu otpornost na koroziju.
Mastai i sur. (1999) sintetizirali su nanočestice CdSe sonoelektrokemijskim taloženjem. Prilagodbe različitih parametara elektrotaloženja i ultrazvuka omogućuju promjenu veličine kristala nanočestica CdSe od rendgenski amorfnog stanja sve do 9 nm (sfaleritna faza).

Ashassi-Sorkhabi i Bagheri (2014) pokazali su prednosti sonoelektrokemijske sinteze polipirola (PPy) na čeliku St-12 u mediju oksalne kiseline primjenom galvanostatske tehnike uz gustoću struje od 4 mA/cm2. Izravna primjena niskofrekventnog ultrazvuka ultrazvučnim uređajem UP400S dovela je do kompaktnijih i homogenijih površinskih struktura polipirola. Rezultati su pokazali da su otpor prevlake (Rcoat), korozijski otpor (Rcorr) i Warburgov otpor ultrazvučno pripremljenih uzoraka bili veći nego kod polipirola sintetiziranog bez ultrazvuka. Snimke dobivene pretražnom elektronskom mikroskopijom prikazale su pozitivne učinke primjene ultrazvuka tijekom elektrotaloženja na morfologiju čestica: rezultati otkrivaju da sonoelektrokemijska sinteza daje glatke prevlake polipirola koje čvrsto prianjaju. Usporedbom rezultata sonoelektrotaloženja s konvencionalnim elektrotaloženjem jasno je da prevlake pripremljene sonoelektrokemijskom metodom imaju veću otpornost na koroziju. Sonikacija elektrokemijske ćelije dovodi do poboljšanog prijenosa mase i aktivacije površine radne elektrode. Ti učinci znatno pridonose vrlo učinkovitoj i visokokvalitetnoj sintezi polipirola.

SEM snimke prevlaka (a) PPy i (b) sonoelektrokemijski istaloženog polipirola (PPy-US) na čeliku St-12 (povećanje 7500×)
(istraživanje i slike: © Ashassi-Sorkhabi i Bagheri, 2014)

Sonoelektrokemijsko taloženje nanokompozita

Kombinacija primjene ultrazvuka i elektrotaloženja učinkovita je i omogućuje jednostavnu sintezu nanokompozita.
Kharitonov i sur. (2021) sintetizirali su nanokompozitne prevlake Cu–Sn–TiO2 sonokemijskim elektrotaloženjem iz kupelji oksalne kiseline koja je dodatno sadržavala 4 g/dm3 TiO2, uz mehaničko i ultrazvučno miješanje. Ultrazvučna obrada provedena je ultrazvučnim uređajem Hielscher UP200Ht pri frekvenciji od 26 kHz i snazi od 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, prevlake Cu–Sn–TiO2 istaložene uz sonikaciju odlikuju se većom homogenošću i glađom površinom. U soniciranim nanokompozitima većina čestica TiO2 bila je ugrađena u matricu Cu–Sn. Uvođenje ultrazvučnog miješanja poboljšava raspodjelu nanočestica TiO2 na površini i sprječava agregaciju.
Pokazano je da nanokompozitne prevlake Cu–Sn–TiO2 nastale elektrotaloženjem potpomognutim ultrazvukom pokazuju izvrsna antimikrobna svojstva protiv bakterija E. coli.

SEM snimke sonoelektrokemijski istaloženih prevlaka Cu–Sn–TiO2 pri katodnoj gustoći struje od 0,5 A/dm2 i 1,0 A/dm2.
(istraživanje i slike: © Kharitonov i sur., 2021)

Sonoelektrokemijska oprema visokih performansi

Hielscher Ultrasonics isporučuje ultrazvučnu opremu visokih performansi za pouzdano i učinkovito sonoelektrotaloženje / sonogalvaniziranje nanomaterijala. Asortiman proizvoda uključuje ultrazvučne sustave velike snage, sonoelektrode, reaktore i ćelije za vašu primjenu sonoelektrokemijskog taloženja.