Sonoelektroķīmiskā izgulsnēšana

Sonoelektroķīmiskā izgulsnēšana ir sintēzes metode, kas apvieno sonoķīmiju un elektroķīmiju ļoti efektīvai un videi draudzīgai nanomateriālu ražošanai. Sonoelektroķīmiskā izgulsnēšana ir pazīstama kā ātra, vienkārša un efektīva metode, kas ļauj sintezēt nanodaļiņas un nanokompozītus ar kontrolētu formu.

Nanodaļiņu sonoelektroizgulsnēšana

Sonoelektroizgulsnēšanā (saukta arī par sonoelektroķīmisko izgulsnēšanu, sonoķīmisko galvanisko pārklāšanu vai sonoķīmisko elektroizgulsnēšanu) nanodaļiņu sintēzei kā elektrodus izmanto vienu vai divas ultraskaņas zondes (sonotrodes jeb ultraskaņas ragus). Sonoelektroķīmiskās izgulsnēšanas metode ir ļoti efektīva, kā arī vienkārši un droši lietojama, un tā ļauj sintezēt nanodaļiņas un nanostruktūras lielos daudzumos. Turklāt sonoelektroķīmiskā izgulsnēšana ir intensificēts process, proti, apstrāde ar ultraskaņu paātrina elektrolīzes procesu, ļaujot reakciju veikt efektīvākos apstākļos.
Lielas jaudas ultraskaņas iedarbība uz suspensijām ievērojami pastiprina masas pārneses procesus makroskopiskās plūsmas un mikroskopisko kavitācijas spēku ietekmē fāžu robežvirsmās. Uz ultraskaņas elektrodiem (sonoelektrodiem) ultraskaņas svārstības un kavitācija nepārtraukti atdala reakcijas produktus no elektrodu virsmas. Atdalot visus pasivējošos nogulsnējumus, elektrodu virsma pastāvīgi paliek pieejama jaunu daļiņu sintēzei.
Ultraskaņas radītā kavitācija veicina gludu un vienveidīgu nanodaļiņu veidošanos, kuras ir viendabīgi izkliedētas šķidrajā fāzē.

Nanodaļiņu sonoelektroķīmiskā izgulsnēšana

Iedarbojoties ar ultraskaņas lauku uz šķidru elektrolītu, dažādas ultraskaņas kavitācijas parādības, piemēram, akustiskā plūsma un mikrostrūklu veidošanās, triecienviļņi, masas pārneses pastiprināšanās no elektroda un uz to, kā arī virsmas attīrīšana (pasivējošo slāņu atdalīšana), veicina elektroizgulsnēšanas / galvaniskās pārklāšanas procesus. Apstrādes ar ultraskaņu labvēlīgā ietekme uz elektroizgulsnēšanu / galvanisko pārklāšanu jau ir pierādīta daudzām nanodaļiņām, tostarp metāliskām nanodaļiņām, pusvadītāju nanodaļiņām, kodola–čaulas nanodaļiņām un leģētām nanodaļiņām.
Sonoķīmiski elektroizgulsnētām metāliskām nanodaļiņām, piemēram, Cr, Cu un Fe, novēro ievērojamu cietības pieaugumu, savukārt Zn uzrāda paaugstinātu izturību pret koroziju.
Mastai et al. (1999) sintezēja CdSe nanodaļiņas ar sonoelektroķīmiskās izgulsnēšanas metodi. Dažādu elektroizgulsnēšanas un ultraskaņas parametru pielāgošana ļauj mainīt CdSe nanodaļiņu kristālu izmēru no rentgenamorfa stāvokļa līdz pat 9 nm (sfalerīta fāze).

Ashassi-Sorkhabi un Bagheri (2014) demonstrēja polipirola (PPy) sonoelektroķīmiskās sintēzes priekšrocības uz St-12 tērauda skābeņskābes vidē, izmantojot galvanostatisku metodi ar strāvas blīvumu 4 mA/cm2. Zemas frekvences ultraskaņas tieša iedarbība, izmantojot ultraskaņas ierīci UP400S, nodrošināja kompaktākas un viendabīgākas polipirola virsmas struktūras. Rezultāti parādīja, ka ar ultraskaņu sagatavoto paraugu pārklājuma pretestība (Rcoat), korozijas pretestība (Rcorr) un Varburga pretestība bija augstāka nekā polipirolam, kas sintezēts bez ultraskaņas. Skenējošās elektronu mikroskopijas attēli uzskatāmi parādīja apstrādes ar ultraskaņu labvēlīgo ietekmi uz daļiņu morfoloģiju elektroizgulsnēšanas laikā: rezultāti atklāj, ka sonoelektroķīmiskā sintēze ļauj iegūt gludus polipirola pārklājumus ar spēcīgu saķeri. Salīdzinot sonoelektroizgulsnēšanas rezultātus ar parasto elektroizgulsnēšanu, ir skaidrs, ka ar sonoelektroķīmijas metodi sagatavotiem pārklājumiem ir augstāka izturība pret koroziju. Elektroķīmiskās šūnas apstrāde ar ultraskaņu pastiprina masas pārnesi un aktivē darba elektroda virsmu. Šī ietekme būtiski veicina ļoti efektīvu un kvalitatīvu polipirola sintēzi.

St-12 tērauda (a) PPy pārklājumu un (b) sonoelektroķīmiski izgulsnētu polipirola (PPy-US) pārklājumu SEM attēli (7500× palielinājums)
(pētījums un attēli: © Ashassi-Sorkhabi un Bagheri, 2014)

Nanokompozītu sonoelektroķīmiskā izgulsnēšana

Apstrādes ar ultraskaņu apvienošana ar elektroizgulsnēšanu ir efektīva un ļauj vienkārši sintezēt nanokompozītus.
Kharitonov et al. (2021) sintezēja Cu–Sn–TiO2 nanokompozītu pārklājumus ar sonoķīmisko elektroizgulsnēšanu no skābeņskābes vannas, kas papildus saturēja 4 g/dm3 TiO2, izmantojot mehānisku un ultraskaņas maisīšanu. Apstrādi ar ultraskaņu veica ar Hielscher ultraskaņas ierīci UP200Ht pie 26 kHz frekvences un 32 W/dm3 jaudas. Rezultāti parādīja, ka maisīšana ar ultraskaņu samazina TiO2 daļiņu aglomerāciju un ļauj izgulsnēt blīvus Cu–Sn–TiO2 nanokompozītus. Salīdzinājumā ar parasto mehānisko maisīšanu Cu–Sn–TiO2 pārklājumiem, kas izgulsnēti ultraskaņas iedarbībā, ir raksturīgs lielāks viendabīgums un gludāka virsma. Ar ultraskaņu apstrādātajos nanokompozītos lielākā daļa TiO2 daļiņu bija iestrādātas Cu–Sn matricā. Maisīšanas ar ultraskaņu ieviešana uzlabo TiO2 nanodaļiņu sadalījumu pa virsmu un kavē agregāciju.
Ir pierādīts, ka Cu–Sn–TiO2 nanokompozītu pārklājumiem, kas veidoti ar ultraskaņas veicinātu elektroizgulsnēšanu, piemīt izcilas pretmikrobu īpašības pret E. coli baktērijām.

Sonoelektroķīmiski izgulsnētu Cu–Sn–TiO2 pārklājumu SEM attēli pie katodiskās strāvas blīvuma 0,5 A/dm2 un 1,0 A/dm2.
(pētījums un attēli: © Kharitonov et al., 2021)

Augstas veiktspējas sonoelektroķīmiskās iekārtas

Hielscher Ultrasonics piegādā augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas uzticamai un efektīvai nanomateriālu sonoelektroizgulsnēšanai / sonogalvaniskajai pārklāšanai. Produktu klāstā ir lielas jaudas ultraskaņas sistēmas, sonoelektrodi, reaktori un šūnas jūsu sonoelektroķīmiskās izgulsnēšanas procesam.