Deposizione sonoelettrochimica

La deposizione sonoelettrochimica è una tecnica di sintesi che combina la sonochimica e l’elettrochimica per una produzione di nanomateriali altamente efficiente e rispettosa dell’ambiente. Nota per la sua rapidità, semplicità ed efficacia, la deposizione sonoelettrochimica consente la sintesi di nanoparticelle e nanocompositi con controllo della forma.

Sonoelettrodeposizione di nanoparticelle

Per la sonoelettrodeposizione (detta anche deposizione sonoelettrochimica, deposizione galvanica sonochimica o elettrodeposizione sonochimica) finalizzata alla sintesi di nanoparticelle, si utilizzano come elettrodi una o due sonde a ultrasuoni (sonotrodi o corni). Il metodo di deposizione sonoelettrochimica è altamente efficiente, oltre che semplice e sicuro da utilizzare, e consente di sintetizzare nanoparticelle e nanostrutture in grandi quantità. Inoltre, la deposizione sonoelettrochimica è un processo intensificato: la sonicazione accelera il processo di elettrolisi, permettendo di condurre la reazione in condizioni più efficaci.
L’applicazione di ultrasuoni di potenza alle sospensioni aumenta significativamente i processi di trasferimento di massa grazie ai flussi macroscopici e alle forze microscopiche di cavitazione alle interfacce. Sugli elettrodi a ultrasuoni (sonoelettrodi), la vibrazione ultrasonica e la cavitazione rimuovono continuamente i prodotti di reazione dalla superficie dell’elettrodo. Grazie alla rimozione di qualsiasi deposito passivante, la superficie dell’elettrodo rimane continuamente disponibile per la sintesi di nuove particelle.
La cavitazione generata dagli ultrasuoni favorisce la formazione di nanoparticelle lisce e uniformi, distribuite omogeneamente nella fase liquida.

Deposizione sonoelettrochimica di nanoparticelle

Quando si applica un campo ultrasonico a un elettrolita liquido, diversi fenomeni di cavitazione ultrasonica, quali flussi acustici e microgetti, onde d’urto, intensificazione del trasferimento di massa da e verso l’elettrodo e pulizia della superficie (rimozione degli strati passivanti), favoriscono i processi di elettrodeposizione / deposizione galvanica. Gli effetti benefici della sonicazione sull’elettrodeposizione / deposizione galvanica sono già stati dimostrati per numerose nanoparticelle, tra cui nanoparticelle metalliche, nanoparticelle di semiconduttori, nanoparticelle nucleo-guscio e nanoparticelle drogate.
Le nanoparticelle metalliche elettrodepositate per via sonochimica, come Cr, Cu e Fe, mostrano un aumento significativo della durezza, mentre Zn mostra una maggiore resistenza alla corrosione.
Mastai et al. (1999) hanno sintetizzato nanoparticelle di CdSe mediante deposizione sonoelettrochimica. La regolazione di vari parametri di elettrodeposizione e dei parametri ultrasonici consente di modificare le dimensioni dei cristalli delle nanoparticelle di CdSe, passando da una struttura amorfa ai raggi X fino a 9 nm (fase sfalerite).

Ashassi-Sorkhabi e Bagheri (2014) hanno dimostrato i vantaggi della sintesi sonoelettrochimica del polipirrolo (PPy) sull’acciaio St-12 in un mezzo contenente acido ossalico, utilizzando una tecnica galvanostatica con una densità di corrente di 4 mA/cm2. L’applicazione diretta di ultrasuoni a bassa frequenza mediante il sonicatore UP400S ha prodotto strutture superficiali di polipirrolo più compatte e più omogenee. I risultati hanno mostrato che la resistenza del rivestimento (Rcoat), la resistenza alla corrosione (Rcorr) e la resistenza di Warburg dei campioni preparati mediante ultrasuoni erano superiori a quelle del polipirrolo sintetizzato senza ultrasuoni. Le immagini di microscopia elettronica a scansione hanno evidenziato gli effetti positivi della sonicazione durante l’elettrodeposizione sulla morfologia delle particelle: i risultati rivelano che la sintesi sonoelettrochimica produce rivestimenti di polipirrolo fortemente aderenti e lisci. Confrontando i risultati della sonoelettrodeposizione con quelli dell’elettrodeposizione convenzionale, risulta chiaro che i rivestimenti preparati con il metodo sonoelettrochimico presentano una maggiore resistenza alla corrosione. La sonicazione della cella elettrochimica determina un maggiore trasferimento di massa e l’attivazione della superficie dell’elettrodo di lavoro. Questi effetti contribuiscono significativamente a una sintesi del polipirrolo altamente efficiente e di alta qualità.

Immagini SEM dei rivestimenti di (a) PPy e (b) polipirrolo depositato per via sonoelettrochimica (PPy-US) su acciaio St-12 (ingrandimento di 7500×)
(studio e immagini: © Ashassi-Sorkhabi e Bagheri, 2014)

Deposizione sonoelettrochimica di nanocompositi

La combinazione della sonicazione con l’elettrodeposizione è efficace e consente una sintesi agevole dei nanocompositi.
Kharitonov et al. (2021) hanno sintetizzato rivestimenti nanocompositi Cu–Sn–TiO2 mediante elettrodeposizione sonochimica da un bagno di acido ossalico contenente anche 4 g/dm3 di TiO2, sotto agitazione meccanica e ultrasonica. Il trattamento a ultrasuoni è stato eseguito con il sonicatore Hielscher UP200Ht a una frequenza di 26 kHz e una potenza di 32 W/dm3. I risultati hanno dimostrato che l’agitazione ultrasonica riduce l’agglomerazione delle particelle di TiO2 e consente la deposizione di nanocompositi Cu–Sn–TiO2 densi. Rispetto all’agitazione meccanica convenzionale, i rivestimenti Cu–Sn–TiO2 depositati sotto sonicazione sono caratterizzati da una maggiore omogeneità e da una superficie più liscia. Nei nanocompositi sottoposti a sonicazione, la maggior parte delle particelle di TiO2 era incorporata nella matrice Cu–Sn. L’introduzione dell’agitazione ultrasonica migliora la distribuzione superficiale delle nanoparticelle di TiO2 e ne ostacola l’aggregazione.
È stato dimostrato che i rivestimenti nanocompositi Cu–Sn–TiO2 formati mediante elettrodeposizione assistita da ultrasuoni presentano eccellenti proprietà antimicrobiche contro i batteri E. coli.

Immagini SEM dei rivestimenti Cu–Sn–TiO2 depositati per via sonoelettrochimica a densità di corrente catodica di 0,5 A/dm2 e 1,0 A/dm2.
(studio e immagini: © Kharitonov et al., 2021)

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