Osadzanie sonoelektrochemiczne

Osadzanie sonoelektrochemiczne to technika syntezy łącząca sonochemię i elektrochemię w celu wysoce wydajnej i przyjaznej dla środowiska produkcji nanomateriałów. Osadzanie sonoelektrochemiczne, znane jako szybka, prosta i skuteczna metoda, umożliwia syntezę nanocząstek i nanokompozytów z kontrolą ich kształtu.

Sonoelektroosadzanie nanocząstek

W sonoelektroosadzaniu (zwanym również osadzaniem sonoelektrochemicznym, sonochemicznym nanoszeniem powłok galwanicznych lub elektroosadzaniem sonochemicznym) mającym na celu syntezę nanocząstek jako elektrody wykorzystuje się jedną lub dwie sondy ultradźwiękowe (sonotrody). Metoda osadzania sonoelektrochemicznego jest wysoce wydajna, a także prosta i bezpieczna w obsłudze, co umożliwia syntezę nanocząstek i nanostruktur w dużych ilościach. Ponadto osadzanie sonoelektrochemiczne jest procesem zintensyfikowanym, co oznacza, że sonikacja przyspiesza proces elektrolizy, dzięki czemu reakcję można prowadzić w warunkach zapewniających większą skuteczność.
Zastosowanie ultradźwięków dużej mocy do zawiesin znacząco intensyfikuje procesy transportu masy dzięki makroskopowym przepływom i mikroskopowym siłom kawitacyjnym na granicach faz. Na elektrodach ultradźwiękowych (sonoelektrodach) drgania ultradźwiękowe i kawitacja nieustannie usuwają produkty reakcji z powierzchni elektrody. Dzięki usuwaniu wszelkich osadów pasywujących powierzchnia elektrody jest stale dostępna do syntezy nowych cząstek.
Kawitacja wywołana ultradźwiękami sprzyja powstawaniu gładkich i jednorodnych nanocząstek, równomiernie rozmieszczonych w fazie ciekłej.

Osadzanie sonoelektrochemiczne nanocząstek

Gdy pole ultradźwiękowe działa na ciekły elektrolit, różnorodne zjawiska kawitacji ultradźwiękowej, takie jak przepływ akustyczny i powstawanie mikrostrug, fale uderzeniowe, intensyfikacja transportu masy z elektrody i do elektrody oraz oczyszczanie powierzchni (usuwanie warstw pasywujących), wspomagają procesy elektroosadzania / nanoszenia powłok galwanicznych. Korzystny wpływ sonikacji na elektroosadzanie / nanoszenie powłok galwanicznych wykazano już dla licznych nanocząstek, w tym nanocząstek metalicznych, nanocząstek półprzewodnikowych, nanocząstek typu rdzeń–powłoka i nanocząstek domieszkowanych.
Nanocząstki metaliczne, takie jak Cr, Cu i Fe, elektroosadzane sonochemicznie wykazują znaczny wzrost twardości, podczas gdy Zn wykazuje zwiększoną odporność na korozję.
Mastai i in. (1999) zsyntetyzowali nanocząstki CdSe metodą osadzania sonoelektrochemicznego. Regulacja różnych parametrów elektroosadzania i ultradźwięków pozwala zmieniać wielkość kryształów nanocząstek CdSe od stanu amorficznego w badaniu rentgenowskim aż do 9 nm (faza sfalerytu).

Ashassi-Sorkhabi i Bagheri (2014) wykazali zalety sonoelektrochemicznej syntezy polipirolu (PPy) na stali St-12 w środowisku kwasu szczawiowego przy użyciu techniki galwanostatycznej z gęstością prądu 4 mA/cm2. Bezpośrednie zastosowanie ultradźwięków o niskiej częstotliwości za pomocą sonikatora UP400S doprowadziło do uzyskania bardziej zwartych i bardziej jednorodnych struktur powierzchniowych polipirolu. Wyniki wykazały, że rezystancja powłoki (Rcoat), rezystancja korozyjna (Rcorr) i rezystancja Warburga próbek przygotowanych z użyciem ultradźwięków były wyższe niż w przypadku polipirolu zsyntetyzowanego bez użycia ultradźwięków. Obrazy ze skaningowego mikroskopu elektronowego uwidoczniły korzystny wpływ ultradźwięków podczas elektroosadzania na morfologię cząstek: wyniki pokazują, że synteza sonoelektrochemiczna prowadzi do uzyskania silnie przylegających i gładkich powłok polipirolu. Porównanie wyników sonoelektroosadzania z konwencjonalnym elektroosadzaniem wyraźnie pokazuje, że powłoki przygotowane metodą sonoelektrochemiczną mają większą odporność na korozję. Sonikacja ogniwa elektrochemicznego prowadzi do intensyfikacji transportu masy i aktywacji powierzchni elektrody roboczej. Efekty te znacząco przyczyniają się do wysoce wydajnej syntezy polipirolu o wysokiej jakości.

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

Osadzanie sonoelektrochemiczne nanokompozytów

Połączenie ultradźwięków z elektroosadzaniem jest skuteczne i umożliwia łatwą syntezę nanokompozytów.
Kharitonov i in. (2021) zsyntetyzowali nanokompozytowe powłoki Cu–Sn–TiO2 metodą elektroosadzania sonochemicznego z kąpieli kwasu szczawiowego zawierającej dodatkowo 4 g/dm3 TiO2, przy mieszaniu mechanicznym i ultradźwiękowym. Obróbkę ultradźwiękową przeprowadzono za pomocą sonikatora Hielscher UP200Ht przy częstotliwości 26 kHz i mocy 32 W/dm3. Wyniki wykazały, że mieszanie ultradźwiękowe zmniejsza aglomerację cząstek TiO2 i umożliwia osadzanie zwartych nanokompozytów Cu–Sn–TiO2. W porównaniu z konwencjonalnym mieszaniem mechanicznym powłoki Cu–Sn–TiO2 osadzane podczas sonikacji charakteryzują się większą jednorodnością i gładszą powierzchnią. W nanokompozytach poddanych sonikacji większość cząstek TiO2 była osadzona w matrycy Cu–Sn. Wprowadzenie mieszania ultradźwiękowego poprawia rozmieszczenie nanocząstek TiO2 na powierzchni i utrudnia agregację.
Wykazano, że nanokompozytowe powłoki Cu–Sn–TiO2 wytwarzane metodą elektroosadzania wspomaganego ultradźwiękami wykazują doskonałe właściwości przeciwdrobnoustrojowe wobec bakterii E. coli.

Obrazy SEM powłok Cu–Sn–TiO2 osadzanych sonoelektrochemicznie przy katodowej gęstości prądu 0,5 A/dm2 i 1,0 A/dm2.
(badanie i zdjęcia: © Kharitonov i in., 2021)

Wysokowydajne urządzenia sonoelektrochemiczne

Hielscher Ultrasonics dostarcza wysokowydajne urządzenia ultradźwiękowe do niezawodnego i wydajnego sonoelektroosadzania / sonoelektrochemicznego nanoszenia powłok galwanicznych z nanomateriałów. Oferta obejmuje systemy ultradźwiękowe dużej mocy, sonoelektrody, reaktory i ogniwa do zastosowań w osadzaniu sonoelektrochemicznym.