초음파 전기화학적 증착

초음파 전기화학적 증착은 초음파화학과 전기화학을 결합하여 나노소재를 매우 효율적이고 친환경적으로 생산하는 합성 기법입니다. 빠르고 간단하며 효과적인 기법으로 알려진 초음파 전기화학적 증착은 나노입자와 나노복합체의 형상을 제어하며 합성할 수 있게 합니다.

나노입자의 초음파 전착

나노입자 합성을 위한 초음파 전착(초음파 전기화학적 증착, 초음파화학적 전기도금 또는 초음파화학적 전착이라고도 함)에서는 하나 또는 두 개의 초음파 프로브(소노트로드 또는 혼)를 전극으로 사용합니다. 초음파 전기화학적 증착법은 효율이 매우 높을 뿐 아니라 조작이 간단하고 안전하여 나노입자와 나노구조체를 대량으로 합성할 수 있습니다. 또한 초음파 전기화학적 증착은 공정 강화 기법입니다. 즉, 초음파 처리가 전기분해 공정을 가속하여 더욱 효과적인 조건에서 반응을 수행할 수 있게 합니다.
현탁액에 고출력 초음파를 가하면 거시적 유동과 미시적 계면 캐비테이션 힘으로 인해 물질 전달이 크게 증가합니다. 초음파 전극에서는 초음파 진동과 캐비테이션이 전극 표면의 반응 생성물을 지속적으로 제거합니다. 부동태화를 일으키는 침착물을 제거함으로써 전극 표면을 새로운 입자 합성에 지속적으로 사용할 수 있습니다.
초음파로 발생한 캐비테이션은 액상에 균질하게 분포하는 매끄럽고 균일한 나노입자의 형성을 촉진합니다.

나노입자의 초음파 전기화학적 증착

액체 전해질에 초음파장을 가하면 음향 유동과 미세 제트, 충격파, 전극으로부터 또는 전극으로의 물질 전달 향상, 표면 세정(부동태층 제거)과 같은 다양한 초음파 캐비테이션 현상이 전착 / 전기도금 공정을 촉진합니다. 초음파 처리가 전착 / 전기도금에 미치는 유익한 효과는 금속 나노입자, 반도체 나노입자, 코어–셸 나노입자 및 도핑된 나노입자를 비롯한 수많은 나노입자에서 이미 입증되었습니다.
초음파화학적으로 전착된 Cr, Cu 및 Fe와 같은 금속 나노입자는 경도가 크게 증가하는 반면, Zn은 내식성이 증가합니다.
Mastai et al. (1999)은 초음파 전기화학적 증착을 통해 CdSe 나노입자를 합성했습니다. 다양한 전착 및 초음파 매개변수를 조정하면 CdSe 나노입자의 결정 크기를 X선 회절상 비정질인 상태부터 최대 9 nm(섬아연석상)까지 변화시킬 수 있습니다.

Ashassi-Sorkhabi와 Bagheri (2014)는 옥살산 매질에서 전류 밀도 4 mA/cm2의 정전류 기법을 사용하여 St-12 강철에 폴리피롤(PPy)을 초음파 전기화학적으로 합성하는 방법의 장점을 입증했습니다. 초음파 처리기 UP400S를 사용하여 저주파 초음파를 직접 가한 결과, 폴리피롤의 표면 구조가 더 치밀하고 균질해졌습니다. 결과에 따르면 초음파로 제조한 시료의 코팅 저항(Rcoat), 부식 저항(Rcorr) 및 바르부르크 저항은 초음파 없이 합성한 폴리피롤보다 높았습니다. 주사전자현미경 이미지는 전착 중 초음파 처리가 입자 형태에 미치는 긍정적인 효과를 시각적으로 보여주었습니다. 결과는 초음파 전기화학적 합성을 통해 접착력이 강하고 매끄러운 폴리피롤 코팅이 형성됨을 보여줍니다. 초음파 전착 결과를 기존 전착 결과와 비교하면, 초음파 전기화학적 방법으로 제조한 코팅의 내식성이 더 높다는 점이 분명합니다. 전기화학 셀을 초음파 처리하면 물질 전달이 향상되고 작업 전극 표면이 활성화됩니다. 이러한 효과는 효율이 매우 높은 고품질 폴리피롤 합성에 크게 기여합니다.

St-12 강철 위의 (a) PPy 및 (b) 초음파 전기화학적으로 증착된 폴리피롤(PPy-US) 코팅의 SEM 이미지(배율 7500×)
(연구 및 사진: © Ashassi-Sorkhabi와 Bagheri, 2014)

나노복합체의 초음파 전기화학적 증착

초음파 처리와 전착의 결합은 효과적이며 나노복합체를 손쉽게 합성할 수 있게 합니다.
Kharitonov et al. (2021)은 기계적 교반 및 초음파 교반 조건에서 TiO2 4 g/dm3를 추가로 함유한 옥살산 욕으로부터 초음파화학적 전착을 통해 Cu–Sn–TiO2 나노복합체 코팅을 합성했습니다. 초음파 처리는 Hielscher 초음파 처리기 UP200Ht를 사용하여 주파수 26 kHz 및 출력 32 W/dm3로 수행했습니다. 결과는 초음파 교반이 TiO2 입자의 응집을 줄이고 치밀한 Cu–Sn–TiO2 나노복합체의 증착을 가능하게 한다는 것을 보여주었습니다. 기존의 기계적 교반과 비교했을 때, 초음파 처리 조건에서 증착된 Cu–Sn–TiO2 코팅은 균질성이 더 높고 표면이 더 매끄러운 것이 특징입니다. 초음파 처리된 나노복합체에서는 TiO2 입자의 대부분이 Cu–Sn 매트릭스 내부에 포함되었습니다. 초음파 교반을 도입하면 TiO2 나노입자의 표면 분포가 개선되고 응집이 억제됩니다.
초음파 보조 전착으로 형성된 Cu–Sn–TiO2 나노복합체 코팅은 대장균(E. coli)에 대해 우수한 항균 특성을 나타내는 것으로 확인되었습니다.

음극 전류 밀도 0.5 A/dm2 및 1.0 A/dm2에서 초음파 전기화학적으로 증착된 Cu–Sn–TiO2 코팅의 SEM 이미지.
(연구 및 사진: © Kharitonov et al., 2021)

고성능 초음파 전기화학 장비

Hielscher Ultrasonics는 나노소재의 신뢰할 수 있고 효율적인 초음파 전착 / 초음파 전기도금을 위한 고성능 초음파 장비를 공급합니다. 제품군에는 초음파 전기화학적 증착 응용 분야를 위한 고출력 초음파 시스템, 초음파 전극, 반응기 및 셀이 포함됩니다.