Deposizione sonoelettrochimica

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

Sono-Elettrodeposizione di nanoparticelle

Per la sonoelettrodeposizione (anche deposizione sonoeletrochimica, elettrodeposizione sonochimica o elettrodeposizione sonochimica) con lo scopo di sintetizzare nanoparticelle, vengono utilizzate 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 e la reazione può avvenire in condizioni più efficaci.
L'applicazione di ultrasuoni di potenza alle sospensioni aumenta significativamente i processi di trasferimento di massa grazie allo streaming macroscopico e alle microscopiche forze cavitazionali interfacciali. Sugli elettrodi a ultrasuoni (sono-elettrodi), la vibrazione e la cavitazione ultrasonica rimuovono continuamente i prodotti di reazione dalla superficie dell'elettrodo. Rimuovendo i depositi passivanti, la superficie dell'elettrodo è continuamente disponibile per la sintesi di nuove particelle.
La cavitazione generata dagli ultrasuoni promuove la formazione di nanoparticelle lisce e uniformi, distribuite in modo omogeneo nella fase liquida.

Deposizione sonoelettrochimica di nanoparticelle

Quando un campo ultrasonico viene applicato a un elettrolita liquido, diversi fenomeni di cavitazione ultrasonica, come lo streaming acustico e il micro-jetting, le onde d'urto, l'aumento del trasferimento di massa da/verso l'elettrodo e la pulizia della superficie (rimozione degli strati passivanti) promuovono i processi di elettrodeposizione/deposizione galvanica. Gli effetti benefici della sonicazione sull'elettrodeposizione/placcatura sono già stati dimostrati per numerose nanoparticelle, tra cui nanoparticelle metalliche, nanoparticelle di semiconduttori, nanoparticelle core-shell e nanoparticelle drogate.
Le nanoparticelle metalliche elettrodeposte per via sonica, come Cr, Cu e Fe, mostrano un aumento significativo della durezza, mentre lo Zn mostra una maggiore resistenza alla corrosione.
Mastai et al. (1999) hanno sintetizzato nanoparticelle di CdSe tramite deposizione sonoelettrochimica. La regolazione di vari parametri di elettrodeposizione e di ultrasuoni permette di modificare la dimensione cristallina delle nanoparticelle di CdSe da amorfa ai raggi X fino a 9 nm (fase sfalerite).

Ashassi-Sorkhabi e Bagheri (2014) hanno dimostrato i vantaggi della sintesi sono-elettrochimica del polipirrolo (PPy) su acciaio St-12 in un mezzo di acido ossalico utilizzando una tecnica galvanostatica con una densità di corrente di 4 mA/cm2. L'applicazione diretta di ultrasuoni a bassa frequenza con l'ultrasuonatore UP400S ha portato a strutture superficiali di polipirrolo più compatte e più omogenee. I risultati hanno mostrato che la resistenza al rivestimento (Rcoat), la resistenza alla corrosione (Rcorr) e la resistenza di Warburg dei campioni preparati con ultrasuoni erano superiori a quelle del polipirrolo sintetizzato non ultrasonicamente. Le immagini della microscopia elettronica a scansione hanno visualizzato gli effetti positivi dell'ultrasuonizzazione durante l'elettrodeposizione sulla morfologia delle particelle: I risultati rivelano che la sintesi sonoelettrochimica produce rivestimenti fortemente aderenti e lisci di polipirrolo. Confrontando i risultati della sonoelettrodeposizione con quelli dell'elettrodeposizione convenzionale, è evidente 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 in modo significativo a una sintesi altamente efficiente e di alta qualità del polipirrolo.

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

Deposizione sonoelettrochimica di nanocompositi

La combinazione di ultrasuoni ed elettrodeposizione è efficace e consente una facile sintesi di nanocompositi.
Kharitonov et al. (2021) hanno sintetizzato rivestimenti nanocompositi di Cu-Sn-TiO2 mediante elettrodeposizione sonochemica 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 l'ultrasuonatore Hielscher UP200Ht a 26 kHz di frequenza e 32 W/dm3 di potenza. I risultati hanno dimostrato che l'agitazione a ultrasuoni 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 con la sonicazione sono caratterizzati da una maggiore omogeneità e da una superficie più liscia. Nei nanocompositi sonicati, la maggior parte delle particelle di TiO2 è stata incorporata nella matrice Cu-Sn. L'introduzione dell'agitazione a ultrasuoni migliora la distribuzione superficiale delle nanoparticelle di TiO2 e impedisce 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 di rivestimenti Cu-Sn-TiO2 depositati per via sono-elettrochimica con 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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