超音波電気化学とその利点

超音波電気化学(sonoelectrochemistry)について知る必要があることはすべてここにあります: 動作原理、用途、利点、超音波電気化学装置 – 音波電気化学に関するすべての関連情報を1ページに掲載。

なぜ電気化学に超音波を応用するのか？

低周波で高強度の超音波を電気化学システムと組み合わせることで、電気化学反応の効率と変換率を向上させることができる。

超音波の動作原理

高性能の超音波処理では、高強度、低周波数の超音波を超音波発生装置で発生させ、超音波プローブ（ソノトロード）を介して液体に送信する。高出力超音波とは、16～30kHzの超音波を指す。超音波プローブは、例えば20kHzで伸縮し、それによって1秒間にそれぞれ20,000回の振動を媒体に伝える。超音波が液体中を伝わるとき、高圧（圧縮）／低圧（希釈または膨張）のサイクルが交互に繰り返され、微細な真空の気泡や空洞が生じ、それが数回の圧力サイクルを経て成長する。液体と気泡の圧縮段階では圧力が正になり、希薄化段階では真空（負圧）になる。圧縮-膨張のサイクルの間、液体中の空洞は、それ以上エネルギーを吸収できない大きさになるまで成長する。この時点で、空洞は激しく内破する。これらの空洞の爆縮は、音響／超音波キャビテーション現象として知られる様々な高エネルギー効果をもたらす。音響キャビテーションは、液体、固体/液体系、気体/液体系に影響を与える多様な高エネルギー効果によって特徴付けられる。エネルギー密度の高いゾーンまたはキャビテーションゾーンは、いわゆるホットスポットゾーンとして知られており、超音波プローブの近傍で最もエネルギー密度が高く、ソノトロードからの距離が長くなるにつれて減少します。超音波キャビテーションの主な特徴には、局所的に発生する非常に高い温度と圧力、およびそれぞれの差、乱流、液体の流動が含まれます。超音波ホットスポットにおける超音波キャビティの爆縮では、最高5000ケルビンの温度、最高200気圧の圧力、最高時速1000kmの液体ジェットが測定される。これらの卓越したエネルギー強度の条件は、電気化学システムを様々な形で強化するソノメカニカル効果やソノケミカル効果に寄与する。

電気化学システムにおける超音波の影響

電気化学反応への超音波の応用は、電極、すなわち陽極と陰極、および電解液に対する様々な効果で知られている。超音波キャビテーションと音響ストリーミングは、反応液に大きな微小運動を発生させ、液体ジェットを衝突させ、撹拌する。この結果、流体力学が改善され、液体/固体混合物の動きが改善される。超音波キャビテーションは、電極における拡散層の有効厚さを減少させる。拡散層が減少するということは、超音波処理によって濃度差が最小化されるということであり、電極近傍の濃度とバルク溶液の濃度値の収束が超音波的に促進されることを意味する。反応中の濃度勾配に対する超音波攪拌の影響により、電極への新鮮な溶液の永久的な供給と反応物質のカートオフが保証される。このことは、超音波攪拌が全体的な動力学を改善し、反応速度を加速し、反応収率を増加させることを意味する。
超音波エネルギーをシステムに導入し、フリーラジカルを超音波化学的に形成することで、そうでなければ電気不活性であったはずの電気化学反応を開始することができる。音響振動とストリーミングのもう一つの重要な効果は、電極表面の洗浄効果である。電極の不動態化層や汚れは、電気化学反応の効率や反応速度を制限します。超音波処理により、電極は恒久的に清浄に保たれ、反応に完全に活性化されます。超音波処理はその脱ガス効果でよく知られており、電気化学反応においても有益です。液体から不要なガスを取り除くことで、反応をより効率的に行うことができる。

ソノエレクトロケミストリーの応用

ソノエレクトロケミストリーは、さまざまなプロセス、さまざまな産業に応用することができる。ソノエレクトロケミストリーのごく一般的な応用例には、次のようなものがある：

• ナノ粒子合成（電気合成）
• 水素合成
• 電気凝固
• 廃水処理
• エマルジョンを壊す
• 電気めっき/電着
• オーム加熱

ナノ粒子の超音波電気化学合成

電気化学的システムにおいて、超音波処理を様々なナノ粒子の合成に応用することに成功した。マグネタイト、カドミウム-セレン(CdSe)ナノチューブ、白金ナノ粒子(NP)、金NP、金属マグネシウム、ビスムテン、ナノ銀、超微細銅、タングステン-コバルト(W-Co)合金ナノ粒子、サマリア/還元酸化グラフェンナノコンポジット、サブ1nmポリ(アクリル酸)キャップ銅ナノ粒子、その他多くのナノサイズ粉末を超音波電気化学法を用いて製造することに成功した。
超音波電気化学的ナノ粒子合成の利点は以下の通りである。

• 還元剤と界面活性剤の回避
• 溶媒としての水の使用
• パラメーター（超音波出力、電流密度、析出電位、超音波対電気化学パルス時間）を変化させることによるナノ粒子サイズの調整

Ashasssi-Sorkhabi and Bagheri (2014)は、超音波電気化学的にポリピロール膜を合成し、その結果を電気化学的に合成したポリピロール膜と比較した。その結果、0.1 Mシュウ酸/0.1 Mピロール溶液中で、電流密度4 mA cm-2で、ガルバノ静電ソノエレクトロデポジションにより、鋼鉄上に強固に密着した平滑なポリピロール(PPy)膜が形成された。音波電解重合を用いることで、高抵抗で強靭、かつ表面が平滑なPPy膜が得られた。音波電解重合によって調製されたPPy皮膜は、St-12鋼に対して実質的な耐食性を与えることが示された。合成されたコーティングは均一で、高い耐食性を示した。これらの結果はすべて、超音波が反応物の物質移動を促進し、音響キャビテーションとその結果生じる高温高圧によって高い化学反応速度を引き起こしたことに起因すると考えられる。St-12鋼/2種類のPPyコーティング/腐食性媒体界面のインピーダンスデータの妥当性をKK変換を用いて確認したところ、平均誤差が小さいことが確認された。

Hass and Gedanken (2008) は、金属マグネシウムナノ粒子の音波電気化学合成に成功したことを報告した。テトラヒドロフラン(THF)またはジブチルジグライム溶液中でのグリンガード試薬の音波電気化学プロセスにおける効率は、それぞれ41.35%と33.08%であった。グリンガード溶液にAlCl3を加えると効率が劇的に向上し、THFまたはジブチルジグライム中でそれぞれ82.70%、51.69%まで上昇した。

音波電気化学による水素製造

超音波により促進される電気分解は、水またはアルカリ溶液からの水素収量を大幅に増加させる。 超音波加速電解水素合成についての詳細はこちらをご覧ください！

超音波アシスト電気凝固法

電気凝固システムに低周波超音波を適用することは、超音波電気凝固として知られている。研究によると、超音波は電気凝固に好影響を与え、廃水からの水酸化鉄の除去効率が向上するなどの結果が得られている。電気凝固に対する超音波の好影響は、電極の不動態化の減少によって説明される。低周波、高強度の超音波は、堆積した固体層を破壊し、それらを効率的に除去するため、電極は継続的に完全に活性化される。さらに、超音波は電極反応ゾーンに存在する陽イオンと陰イオンの両方のイオンを活性化する。超音波攪拌は、電極に原料や製品を供給し、電極から運び出す溶液の高い微小運動をもたらします。
超音波電気凝固プロセスの成功例としては、製薬廃水中の6価クロムの3価クロムへの還元、10分以内に99.5%のリン除去効率を達成した精密化学工業廃水からの全リンの除去、パルプ・製紙工業廃水からの色およびCODの除去などが挙げられる。色、COD、Cr(VI)、Cu(II)、Pの除去効率は、それぞれ100%、95%、100%、97.3%、99.84%と報告されている。(参照：Al-Qodah & Al-Shannag, 2018)

汚染物質の音波電気化学分解

超音波により促進される電気化学的酸化・還元反応は、化学汚染物質を分解する強力な方法として応用されている。ソノメカニカルおよびソノケミカルのメカニズムは、汚染物質の電気化学的分解を促進する。超音波により発生するキャビテーションは、激しい撹拌、マイクロミキシング、物質移動、電極からの不動態化層の除去をもたらす。これらのキャビテーション効果により、主に電極と溶液間の固液物質移動が促進される。ソノケミカル効果は分子に直接影響を与えます。分子のホモ溶解切断により、反応性の高い酸化剤が生成されます。水性媒体中、酸素の存在下では、HO-、HO2-、O-などのラジカルが生成される。-OHラジカルは有機物の効率的な分解に重要であることが知られている。全体として、音波電気化学分解は高い効率を示し、大量の廃水流やその他の汚染された液体の処理に適している。
例えば、Lllanosら（2016）は、電気化学システムを超音波処理によって強化した場合（超音波電気化学消毒）、水の消毒に有意な相乗効果が得られることを発見した。この消毒速度の向上は、大腸菌細胞の凝集体の抑制と消毒剤種の産生増強に関連していることが判明した。Esclapezら(2010)は、トリクロロ酢酸(TCAA)分解のスケールアップにおいて、特別に設計された超音波電気化学リアクター(ただし最適化されていない)が使用され、UIP1000hdで生成された超音波場の存在により、低い超音波強度と体積流量でより良い結果(分画変換率97%、分解効率26%、選択率0.92、電流効率8%)が得られたことを示した。プレパイロットの超音波電気化学リアクターがまだ最適化されていなかったという事実を考慮すると、これらの結果はさらに改善できる可能性が高い。

超音波ボルタンメトリーと電着

電着は15 mA/cm2の電流密度でガルバノ静電的に行った。溶液は電着前に超音波処理を5～60分間行った。Hielscher プローブ式超音波発生装置 UP200S サイクルタイム0.5で使用した。超音波処理は、超音波プローブを溶液に直接浸すことで行った。電着前の溶液に対する超音波の影響を評価するために、溶液の挙動を明らかにし、電着の理想的な条件を予測することを可能にするために、サイクリックボルタンメトリー（CV）を使用した。その結果、電着前に溶液に超音波処理を施すと、より低い負電位値で析出が始まることが観察された。これは、溶液中の種が非超音波処理よりも活性化するため、溶液中の電流が同じであれば、より低い電位が必要であることを意味する。(cf. Yurdal & カラハン 2017)
ナノ強化コーティングの超音波電気化学析出についてもっと読む！

高性能電気化学プローブとソノエレクトロリアクター

Hielscher Ultrasonics社は、高性能超音波システムの長年の経験豊かなパートナーです。最先端の超音波プローブとリアクターを製造・販売しており、過酷な環境下でのヘビーデューティー・アプリケーションに世界中で使用されています。超音波電気化学のために、Hielscherは、電気化学反応に適した超音波リアクターセルと同様に、陰極および/または陽極として機能することができる特別な超音波プローブを開発しました。超音波電極とセルは、電解システムと同様にガルバニック/ボルタニックにも使用できます。

最適な結果を得るために正確に制御可能な振幅

Hielscherの超音波プロセッサーはすべて、精密に制御可能であり、その結果、R.I.S.における信頼性の高い作業馬となります。&Dと生産。振幅は、超音波化学的および超音波機械的に誘導される反応の効率と効果に影響を与える重要なプロセスパラメーターの一つです。すべてのHielscher Ultrasonics’ プロセッサーは、振幅を正確に設定することができます。Hielscher社の工業用超音波プロセッサーは、非常に高い振幅を実現し、要求の厳しい超音波電気分析アプリケーションに必要な超音波強度を提供することができます。最大200µmの振幅は、24時間365日の連続運転が容易です。
正確な振幅設定と、スマートソフトウェアによる超音波プロセスパラメーターの常時モニタリングにより、超音波電気化学反応に正確な影響を与えることができます。超音波処理の実行中、すべての超音波パラメータが内蔵SDカードに自動的に記録されるため、各実行の評価と制御が可能です。最も効率的な超音波電気化学反応のための最適な超音波処理！
全ての装置は、24時間365日、全負荷状態での使用を想定して作られており、その堅牢性と信頼性により、電気化学プロセスにおける作業馬となります。このように、Hielscherの超音波装置は、お客様の電気化学プロセスの要件を満たす信頼性の高い作業ツールです。

最高品質 – ドイツで設計・製造

家族経営の企業として、Hielscher社は超音波プロセッサーの最高品質基準を優先しています。すべての超音波処理装置は、ドイツ・ベルリン近郊のテルトウにある本社で設計、製造、徹底的なテストが行われています。Hielscherの超音波装置は、頑丈で信頼性が高いため、お客様の生産現場で活躍します。全負荷、過酷な環境下での24時間365日の稼働は、Hielscherの高性能超音波プローブとリアクターの当然の特徴です。

今すぐお問い合わせいただき、電気化学プロセスに関するご要望をお聞かせください！最適な超音波電極とリアクターのセットアップをご提案いたします！