ソノエレクトロケミカル・デポジション

超音波電気化学析出は、ナノ材料の高効率で環境に優しい製造のための、超音波化学と電気化学を組み合わせた合成技術である。高速で、簡単で、効果的であることで有名なソノ電気化学的析出は、ナノ粒子とナノ複合体の形状制御合成を可能にする。

ナノ粒子のソノ電着

ナノ粒子の合成を目的としたソノエレクトロデポジション（ソノエレトロケミカルデポジション、ソノケミカル電気メッキ、ソノケミカル電着とも）には、1本または2本の超音波プローブ（ソノトロードまたはホーン）が電極として使用される。音波電解析出法は非常に効率的で、操作も簡単で安全であるため、ナノ粒子やナノ構造を大量に合成することができる。さらに、超音波電気化学析出法は強化されたプロセスであり、つまり超音波処理によって電解プロセスが加速されるため、より効率的な条件で反応を行うことができる。
懸濁液にパワー超音波を適用すると、巨視的なストリーミングと微視的な界面キャビテーション力により、物質移動プロセスが著しく増加する。超音波電極（ソノ電極）では、超音波振動とキャビテーションが電極表面から反応生成物を連続的に除去します。不動態化堆積物を除去することにより、電極表面は継続的に新しい粒子合成に利用できるようになります。
超音波により発生したキャビテーションは、液相中に均一に分散した滑らかで均一なナノ粒子の形成を促進する。

ナノ粒子のソノ電気化学的析出

超音波場が液体電解質に印加されると、音響ストリーミングやマイクロジェット、衝撃波、電極から／電極への物質移動の促進、表面洗浄（不動態化層の除去）などの多様な超音波キャビテーション現象が電着／電気めっきプロセスを促進する。電着／電気めっきにおける超音波処理の有益な効果は、金属ナノ粒子、半導体ナノ粒子、コアシェルナノ粒子、ドープナノ粒子など、数多くのナノ粒子ですでに実証されている。
Cr、Cu、Feのようなメタリックナノ粒子をソノケミカルで電着すると硬度が著しく向上し、Znは耐食性が向上する。
Mastaiら(1999)は、超音波電気化学蒸着法によってCdSeナノ粒子を合成した。様々な電着パラメーターと超音波パラメーターを調整することで、CdSeナノ粒子の結晶サイズをX線アモルファスから9nm（閃亜鉛鉱相）まで変更することができた。

Ashassi-Sorkhabi and Bagheri (2014)は、電流密度4 mA/cm2のガルバノスタティック法を用いて、シュウ酸媒体中のSt-12鋼上でポリピロール（PPy）の超音波電気化学合成の利点を実証した。超音波発生装置UP400Sを用いた低周波超音波の直接印加により、ポリピロールはよりコンパクトで均一な表面構造となった。その結果、超音波で作製した試料のコーティング抵抗（Rcoat）、耐食性（Rcorr）、ワールブルグ抵抗は、超音波で合成しなかったポリピロールよりも高いことが示された。走査型電子顕微鏡の画像から、電析中の超音波照射が粒子形態に及ぼすプラスの効果が可視化された：この結果から、超音波電解合成では、ポリピロールの強固に接着した平滑な被膜が得られることが明らかになった。音波電解析出の結果を従来の電解析出と比較すると、音波電解析出法で作製したコーティングの方が耐食性が高いことが明らかである。電気化学セルの超音波処理により、物質移動が促進され、作用電極の表面が活性化される。これらの効果は、ポリピロールの高効率で高品質な合成に大きく寄与している。

St-12鋼上の(a)PPyおよび(b)超音波電解法によるポリピロール(PPy-US)コーティングのSEM像（倍率7500倍）。
(調査と写真：© Ashassi-Sorkhabi and Bagheri, 2014）

ナノコンポジットのソノ電気化学的析出

超音波処理と電着の組み合わせは効率的で、ナノコンポジットの合成を容易にする。
Kharitonovら(2021)は、機械的および超音波攪拌下で、4 g/dm3 のTiO2を添加したシュウ酸浴から超音波電解析出法により、ナノコンポジットCu-Sn-TiO2コーティングを合成した。超音波処理は、Hielscher社製超音波処理装置UP200Htを用い、周波数26kHz、出力32W/dm3で行った。その結果、超音波攪拌はTiO2粒子の凝集を減少させ、緻密なCu-Sn-TiO2ナノコンポジットの成膜を可能にすることが実証された。従来の機械的攪拌と比較すると、超音波攪拌下で析出したCu-Sn-TiO2コーティングは、より高い均質性と滑らかな表面が特徴である。超音波処理したナノコンポジットでは、TiO2粒子の大部分がCu-Snマトリックスに埋め込まれた。超音波攪拌の導入により、TiO2ナノ粒子の表面分布が改善され、凝集が抑制された。
超音波アシスト電着によって形成されたナノコンポジットCu-Sn-TiO2コーティングが、大腸菌に対して優れた抗菌性を示すことが示された。

0.5A/dm2と1.0A/dm2のカソード電流密度で超音波電解析出したCu-Sn-TiO2皮膜のSEM像。
(研究および写真：© Kharitonov et al, 2021）

高性能ソノ電気化学装置

Hielscher Ultrasonicsは、信頼性が高く効率的なナノ材料の超音波電着/超音波電気めっきのための高性能超音波装置を提供しています。高出力超音波システム、ソノ電極、リアクター、セルなど、お客様のソノ電気化学析出アプリケーションに適した製品を取り揃えています。