Osadzanie sonoelektrochemiczne

Sonoelektrochemiczne osadzanie jest techniką syntezy, która łączy sonochemię i elektrochemię, w celu wysoce wydajnej i przyjaznej dla środowiska produkcji nanomateriałów. Znane jako szybkie, proste i skuteczne, osadzanie sonoelektrochemiczne pozwala na kontrolowaną kształtem syntezę nanocząstek i nanokompozytów.

Sonoelektrodepozycja nanocząstek

W przypadku sonoelektrodepozycji (również osadzania sonoeletrochemicznego, galwanizacji sonochemicznej lub elektroosadzania sonochemicznego) w celu syntezy nanocząstek, jako elektrody stosuje się jedną lub dwie sondy ultradźwiękowe (sonotrody lub rogi). Metoda sonoelektrochemicznego osadzania jest wysoce wydajna, a także prosta i bezpieczna w obsłudze, co pozwala na syntezę nanocząstek i nanostruktur w dużych ilościach. Dodatkowo, osadzanie sonoelektrochemiczne jest procesem zintensyfikowanym, co oznacza, że sonikacja przyspiesza proces elektrolizy, dzięki czemu reakcja może przebiegać w bardziej efektywnych warunkach.
Zastosowanie ultradźwięków mocy do zawiesin znacznie zwiększa procesy przenoszenia masy z powodu makroskopowych strumieni i mikroskopijnych międzyfazowych sił kawitacyjnych. Na elektrodach ultradźwiękowych (sono-elektrodach), wibracje ultradźwiękowe i kawitacja w sposób ciągły usuwają produkty reakcji z powierzchni elektrody. Usuwając wszelkie osady pasywacyjne, powierzchnia elektrody jest stale dostępna do syntezy nowych cząstek.
Kawitacja generowana przez ultradźwięki sprzyja tworzeniu gładkich i jednolitych nanocząstek, które są równomiernie rozmieszczone w fazie ciekłej.

Sonoelektrochemiczne osadzanie nanocząstek

Gdy pole ultradźwiękowe jest stosowane do ciekłego elektrolitu, różne zjawiska kawitacji ultradźwiękowej, takie jak strumień akustyczny i mikrostrumieniowanie, fale uderzeniowe, wzmocnienie przenoszenia masy z/do elektrody i czyszczenie powierzchni (usuwanie warstw pasywujących) sprzyjają procesom elektroosadzania / galwanizacji. Korzystny wpływ sonikacji na elektroosadzanie / galwanizację został już wykazany dla wielu nanocząstek, w tym nanocząstek metalicznych, nanocząstek półprzewodnikowych, nanocząstek typu core-shell i nanocząstek domieszkowanych.
Sonochemicznie osadzone nanocząstki metaliczne, takie jak Cr, Cu i Fe, wykazują znaczny wzrost twardości, podczas gdy Zn wykazuje zwiększoną odporność na korozję.
Mastai et al. (1999) zsyntetyzowali nanocząstki CdSe poprzez osadzanie sonoelektrochemiczne. Regulacja różnych parametrów elektroosadzania i ultradźwięków pozwala na modyfikację wielkości krystalicznej nanocząstek CdSe z amorficznego promieniowania rentgenowskiego do 9 nm (faza sfalerytu).

Ashassi-Sorkhabi i Bagheri (2014) wykazali zalety sono-elektrochemicznej syntezy polipirolu (PPy) na stali St-12 w środowisku kwasu szczawiowego przy użyciu techniki galwanostatycznej o gęstości prądu 4 mA/cm2. Bezpośrednie zastosowanie ultradźwięków o niskiej częstotliwości przy użyciu ultrasonografu UP400S doprowadziło do bardziej zwartych i bardziej jednorodnych struktur powierzchniowych polipirolu. Wyniki wykazały, że odporność na powlekanie (Rcoat), odporność na korozję (Rcorr) i odporność Warburga próbek przygotowanych ultradźwiękowo były wyższe niż w przypadku nieultrasonicznie syntetyzowanego polipirolu. Obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej uwidoczniły pozytywny wpływ ultradźwięków podczas elektroosadzania na morfologię cząstek: Wyniki pokazują, że synteza sonoelektrochemiczna daje silnie przylegające i gładkie powłoki polipirolu. Porównując wyniki sonoelektroosadzania z konwencjonalnym elektroosadzaniem, wyraźnie widać, że powłoki przygotowane metodą sonoelektrochemiczną mają wyższą odporność na korozję. Sonikacja ogniwa elektrochemicznego powoduje zwiększony transfer masy i aktywację powierzchni elektrody roboczej. Efekty te znacząco przyczyniają się do wysoce wydajnej, wysokiej jakości syntezy polipirolu.

Obrazy SEM (a) PPy i (b) osadzonych sonoelektrochemicznie powłok polipirolowych (PPy-US) na stali St-12 (powiększenie 7500×)
(opracowanie i zdjęcia: © Ashassi-Sorkhabi i Bagheri, 2014)

Sonoelektrochemiczne osadzanie nanokompozytów

Połączenie ultradźwięków z elektrodepozycją jest skuteczne i pozwala na łatwą syntezę nanokompozytów.
Kharitonov et al. (2021) zsyntetyzowali nanokompozytowe powłoki Cu-Sn-TiO2 metodą elektrodepozycji sonochemicznej z kąpieli kwasu szczawiowego zawierającej dodatkowo 4 g/dm3 TiO2 pod wpływem mieszania mechanicznego i ultradźwiękowego. Obróbkę ultradźwiękową przeprowadzono za pomocą ultrasonografu Hielscher UP200Ht o częstotliwości 26 kHz i mocy 32 W/dm3. Wyniki wykazały, że mieszanie ultradźwiękowe zmniejsza aglomerację cząstek TiO2 i pozwala na osadzanie gęstych nanokompozytów Cu-Sn-TiO2. W porównaniu z konwencjonalnym mieszaniem mechanicznym, powłoki Cu-Sn-TiO2 osadzone podczas sonikacji charakteryzują się wyższą jednorodnością i gładszą powierzchnią. W sonikowanych nanokompozytach większość cząstek TiO2 została osadzona w matrycy Cu-Sn. Wprowadzenie mieszania ultradźwiękowego poprawia rozkład powierzchni nanocząstek TiO2 i utrudnia agregację.
Wykazano, że nanokompozytowe powłoki Cu-Sn-TiO2 utworzone przez elektrodepozycję wspomaganą ultradźwiękami wykazują doskonałe właściwości przeciwdrobnoustrojowe przeciwko bakteriom E. coli.

Obrazy SEM sono-elektrochemicznie osadzonych powłok Cu-Sn-TiO2 przy gęstości prądu katodowego 0,5 A/dm2 i 1,0 A/dm2.
(opracowanie i zdjęcia: © Kharitonov et al., 2021)

Wysokowydajny sprzęt sonoelektrochemiczny

Hielscher Ultrasonics dostarcza wysokowydajny sprzęt ultradźwiękowy do niezawodnego i wydajnego sono-elektrodepozycji / sonoelektroplaterowania nanomateriałów. Asortyment produktów obejmuje systemy ultradźwiękowe o dużej mocy, sono-elektrody, reaktory i komórki do aplikacji osadzania sono-elektrochemicznego.