სონოელექტროქიმიური დალექვა

სონოელექტროქიმიური დალექვა არის სინთეზის ტექნიკა, რომელიც აერთიანებს სონოქიმიასა და ელექტროქიმიას, ნანომასალების მაღალეფექტური და ეკოლოგიურად სუფთა წარმოებისთვის. ცნობილია, როგორც სწრაფი, მარტივი და ეფექტური პროცესი, სონოელექტროქიმიური დალექვა საშუალებას იძლევა, განხორციელდეს ნანონაწილაკებისა და ნანოკომპოზიტების ფორმით კონტროლირებადი სინთეზი.

ნანონაწილაკების სონოელექტროდალექვა

სონოელექტროდალექვისთვის (ასევე ცნობილია, როგორც სონოელექტროქიმიური დალექვა, სონოქიმიური ელექტროგალვანიკა ან სონოქიმიური ელექტროდალექვა) ნანონაწილაკების სინთეზის მიზნით, როგორც ელექტროდები გამოიყენება ერთი ან ორი ულტრაბგერითი ზონდი (სონოტროდები ან რქები). სონოელექტროქიმიური დალექვის მეთოდი არის მაღალეფექტური, ასევე მარტივი და უსაფრთხო გამოსაყენებელი, რაც საშუალებას იძლევა, სინთეზირდეს ნანონაწილაკები და ნანოსტრუქტურები დიდი რაოდენობით. გარდა ამისა, სონოელექტროქიმიური დალექვა არის ინტენსიფიცირებული პროცესი, რაც ნიშნავს, რომ ულტრაბგერითი დამუშავება აჩქარებს ელექტროლიზის პროცესს ისე, რომ რეაქცია შეიძლება მიმდინარეობდეს უფრო ეფექტურ პირობებში.
ულტრაბგერითი ენერგიის გამოყენება სუსპენზიებზე მნიშვნელოვნად ზრდის მასის გადატანის პროცესებს მაკროსკოპული ნაკადისა და მიკროსკოპული საზღვრის ზედაპირული კავიტაციის ძალების გამო. ულტრაბგერით ელექტროდებზე (სონოელექტროდებზე), ულტრაბგერითი ვიბრაცია და კავიტაცია უწყვეტად აცილებს რეაქციის პროდუქტებს ელექტროდის ზედაპირიდან. პასივირებადი დალექვების მოცილებით, ელექტროდის ზედაპირი უწყვეტად ხელმისაწვდომი რჩება ახალი ნაწილაკების სინთეზისთვის.
ულტრაბგერითი კავიტაცია ხელს უწყობს გლუვი და ერთგვაროვანი ნანონაწილაკების წარმოქმნას, რომლებიც თანაბრად არის განაწილებული თხევად ფაზაში.

ნანონაწილაკების სონოელექტროქიმიური დალექვა

როდესაც ულტრაბგერითი ველი გამოიყენება თხევად ელექტროლიტზე, სხვადასხვა ულტრაბგერითი კავიტაციის ფენომენები, როგორიცაა აკუსტიკური ნაკადი და მიკრო-ჭავლები, დარტყმითი ტალღები, მასის გადატანის გაუმჯობესება ელექტროდთან/ელექტროდიდან და ზედაპირის გაწმენდა (პასივირებადი ფენების მოცილება), ხელს უწყობენ ელექტროდალექვის / ელექტროგალვანიკის პროცესებს. ულტრაბგერითი დამუშავების სასარგებლო გავლენა ელექტროდალექვაზე / ელექტროგალვანიკაზე უკვე დემონსტრირებული იქნა მრავალი ნანონაწილაკისთვის, მათ შორის მეტალური ნანონაწილაკების, ნახევარგამტარული ნანონაწილაკების, გული-გარსი ნანონაწილაკებისა და დოპირებული ნანონაწილაკებისთვის.
სონოქიმიურად ელექტროდალექილი მეტალური ნანონაწილაკები, როგორიცაა Cr, Cu და Fe, აჩვენებენ სიხისტის მნიშვნელოვან ზრდას, მაშინ როდესაც Zn აჩვენებს კოროზიის მიმართ გაზრდილ მდგრადობას.
Mastai et al. (1999) სინთეზირებდნენ CdSe ნანონაწილაკებს სონოელექტროქიმიური დალექვის გზით. სხვადასხვა ელექტროდალექვისა და ულტრაბგერითი პარამეტრების კორექტირება საშუალებას იძლევა, შეიცვალოს CdSe ნანონაწილაკების კრისტალური ზომა რენტგენულად ამორფულიდან მაქსიმუმ 9 nm-მდე (სფალერიტის ფაზა).

Ashassi-Sorkhabi and Bagheri (2014) დემონსტრირებდნენ პოლიპიროლის (PPy) სონოელექტროქიმიური სინთეზის უპირატესობებს St-12 ფოლადზე ოქსალის მჟავას გარემოში, გამოიყენეს გალვანოსტატიკური ტექნიკა 4 mA/cm2 დენის სიმკვრივით. დაბალი სიხშირის ულტრაბგერის პირდაპირი გამოყენება UP400S ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორით გამოიწვია პოლიპიროლის უფრო კომპაქტური და უფრო ერთგვაროვანი ზედაპირული სტრუქტურები. შედეგებმა აჩვენა, რომ ულტრაბგერით დამუშავებულ ნიმუშების საფარავის წინაღობა (Rcoat), კოროზიის წინაღობა (Rcorr) და ვარბურგის წინაღობა უფრო მაღალი იყო, ვიდრე არაულტრაბგერით სინთეზირებული პოლიპიროლის. სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპიის სურათებმა ვიზუალურად აჩვენეს ულტრაბგერითი დამუშავების დადებითი გავლენა ელექტროდალექვის დროს ნაწილაკების მორფოლოგიაზე: შედეგები აჩვენებს, რომ სონოელექტროქიმიური სინთეზი იძლევა ძლიერად ადჰეზიურ და გლუვ პოლიპიროლის საფარავებს. სონოელექტროდალექვის შედეგების შედარება კონვენციურ ელექტროდალექვასთან, ცხადყოფს, რომ სონოელექტროქიმიის მეთოდით მომზადებული საფარავები აქვთ უფრო მაღალი კოროზიის მდგრადობა. ელექტროქიმიური უჯრედის ულტრაბგერითი დამუშავება იწვევს მასის გადატანის გაუმჯობესებას და სამუშაო ელექტროდის ზედაპირის აქტივირებას. ეს ეფექტები მნიშვნელოვნად უწყობს ხელს პოლიპიროლის მაღალეფექტურ, მაღალხარისხოვან სინთეზს.

(a) PPy და (b) სონოელექტროქიმიურად დალექილი პოლიპიროლის (PPy-US) საფარავების SEM სურათები St-12 ფოლადზე (გადიდება 7500×)
(კვლევა და სურათები: © Ashassi-Sorkhabi and Bagheri, 2014)

ნანოკომპოზიტების სონოელექტროქიმიური დალექვა

ულტრაბგერითი დამუშავებისა და ელექტროდალექვის კომბინაცია ეფექტურია და საშუალებას იძლევა, განხორციელდეს ნანოკომპოზიტების მარტივი სინთეზი.
Kharitonov et al. (2021) სინთეზირებდნენ ნანოკომპოზიტურ Cu–Sn–TiO2 საფარავებს სონოქიმიური ელექტროდალექვის გზით ოქსალის მჟავას აბაზანიდან, რომელსაც დამატებით შეიცავდა 4 g/dm3 TiO2-ს მექანიკური და ულტრაბგერითი არევის პირობებში. ულტრაბგერითი დამუშავება ხორციელდებოდა Hielscher UP200Ht ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორით 26 kHz სიხშირით და 32 W/dm3 სიმძლავრით. შედეგებმა აჩვენა, რომ ულტრაბგერითი არევა ამცირებს TiO2 ნაწილაკების აგლომერაციას და საშუალებას იძლევა, დაილექოს მკვრივი Cu–Sn–TiO2 ნანოკომპოზიტები. კონვენციურ მექანიკურ არევასთან შედარებით, ულტრაბგერითი დამუშავების პირობებში დალექილი Cu–Sn–TiO2 საფარავები ხასიათდება უფრო მაღალი ერთგვაროვნებითა და უფრო გლუვი ზედაპირით. ულტრაბგერით დამუშავებულ ნანოკომპოზიტებში, TiO2 ნაწილაკების უმეტესობა ჩაშენებული იყო Cu–Sn მატრიცაში. ულტრაბგერითი არევის შემოღება აუმჯობესებს TiO2 ნანონაწილაკების ზედაპირულ განაწილებას და ხელს უშლის აგრეგაციას.
აჩვენეს, რომ ულტრაბგერითი დახმარებითი ელექტროდალექვით წარმოქმნილი ნანოკომპოზიტური Cu–Sn–TiO2 საფარავები ავლენენ შესანიშნავ ანტიმიკრობულ თვისებებს E. coli ბაქტერიების მიმართ.

სონოელექტროქიმიურად დალექილი Cu–Sn–TiO2 საფარავების SEM სურათები 0,5 A/dm2 და 1,0 A/dm2 კათოდური დენის სიმკვრივით.
(კვლევა და სურათები: © Kharitonov et al., 2021)

მაღალეფექტური სონოელექტროქიმიური აღჭურვილობა

Hielscher Ultrasonics აწვდის მაღალეფექტურ ულტრაბგერით აღჭურვილობას ნანომასალების სანდო და ეფექტური სონოელექტროდალექვის / სონოელექტროგალვანოსტერიისთვის. პროდუქციის დიაპაზონი მოიცავს მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერით სისტემებს, სონოელექტროდებს, რეაქტორებსა და უჯრედებს თქვენი სონოელექტროქიმიური დალექვის გამოყენებისთვის.