Osadzanie sonoelektrochemiczne

Osadzanie sonoelektrochemiczne jest techniką syntezy, która łączy sonochemię i elektrochemię, do wysoce wydajnej i przyjaznej dla środowiska produkcji nanomateriałów. Znana jako szybka, prosta i skuteczna, sonoelektrochemiczne osadzanie pozwala na kontrolowaną kształtem syntezę nanocząstek i nanokompozytów.

Sonoelektrodepozycja nanocząstek

Do sonoelektrodepozycji (także sonoeletrochemicznego osadzania, sonochemicznego galwanizowania, lub sonochemicznego elektrodeponowania) 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 intensyfikowanym, co oznacza, że sonikacja przyspiesza proces elektrolizy, dzięki czemu reakcja może przebiegać w bardziej wydajnych warunkach.
Zastosowanie ultradźwięków o dużej mocy do zawiesin znacznie zwiększa procesy przenoszenia masy dzięki makroskopowym strumieniom i mikroskopowym międzyfazowym siłom kawitacyjnym. Na elektrodach ultradźwiękowych (sono-elektrodach), wibracja i kawitacja ultradźwiękowa w sposób ciągły usuwa produkty reakcji z powierzchni elektrody. Poprzez usunięcie wszelkich osadów pasywujących, powierzchnia elektrody jest stale dostępna dla syntezy nowych cząstek.
Kawitacja generowana ultradźwiękami sprzyja powstawaniu gładkich i jednolitych nanocząstek, które są homogenicznie rozmieszczone w fazie ciekłej.

Sonoelektrochemiczne osadzanie nanocząstek

Kiedy pole ultradźwiękowe jest stosowane do ciekłego elektrolitu, różnorodne zjawiska kawitacji ultradźwiękowej, takie jak strumień akustyczny i mikrostrumieniowanie, fale uderzeniowe, wzmocnienie przenoszenia masy z/do elektrody i oczyszczanie powierzchni (usuwanie warstw pasywacyjnych) sprzyjają procesom elektrodepozycji / galwanizacji. Korzystny wpływ sonikacji na elektrodepozycję / galwanizację został już wykazany dla wielu nanocząstek, w tym nanocząstek metalicznych, nanocząstek półprzewodnikowych, nanocząstek typu core-shell i nanocząstek domieszkowanych.
Sonochemicznie osadzone nanocząstki metali takich jak Cr, Cu i Fe wykazują znaczny wzrost twardości, podczas gdy Zn wykazuje zwiększoną odporność na korozję.
Mastai i wsp. (1999) zsyntetyzowali nanocząstki CdSe metodą sonoelektrochemicznego osadzania. Regulacja różnych parametrów elektrodepozycji i ultradźwięków pozwala na modyfikację wielkości kryształów nanocząstek CdSe od amorficznych w skali X do 9 nm (faza sfalerytowa).

Ashassi-Sorkhabi i Bagheri (2014) wykazali zalety sono-elektrochemicznej syntezy polipirolu (PPy) na stali St-12 w środowisku kwasu szczawiowego techniką galwanostatyczną przy gęstości prądu 4 mA/cm2. Bezpośrednie zastosowanie ultradźwięków o niskiej częstotliwości przy użyciu ultradźwiękowca UP400S doprowadziło do uzyskania bardziej zwartych i jednorodnych struktur powierzchniowych polipirolu. Wyniki badań wykazały, że odporność powłokowa (Rcoat), odporność korozyjna (Rcorr) i odporność Warburga próbek przygotowanych ultradźwiękowo były wyższe niż próbek nieultrasonicznie syntetyzowanych. Obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej wizualizowały pozytywny wpływ ultradźwięków podczas elektrodepozycji na morfologię cząstek: Wyniki pokazują, że w wyniku syntezy sonoelektrochemicznej uzyskuje się silnie przylegające i gładkie powłoki polipirolu. Porównując wyniki sonoelektrodepozycji z konwencjonalną elektrodepozycją, widać wyraźnie, że powłoki przygotowane metodą sonoelektrochemii mają wyższą odporność na korozję. Sonikacja ogniwa elektrochemicznego powoduje zwiększenie transferu masy oraz aktywację powierzchni elektrody roboczej. Efekty te w znacznym stopniu przyczyniają się do wysokowydajnej, wysokiej jakości syntezy polipirolu.

Obrazy SEM (a) powłok PPy i (b) powłok polipirolu osadzonych metodą sonoelektrochemiczną (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 i wsp. (2021) zsyntetyzowali nanokompozytowe powłoki Cu-Sn-TiO2 metodą sonochemicznej elektrodepozycji z kąpieli szczawiowej zawierającej dodatkowo 4 g/dm3 TiO2 pod wpływem mieszania mechanicznego i ultradźwiękowego. Obróbkę ultradźwiękową przeprowadzono za pomocą ultradźwiękowca UP200Ht firmy Hielscher przy 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 konwencjonalną agitacją mechaniczną, powłoki Cu-Sn-TiO2 osadzone pod wpływem sonikacji charakteryzują się większą jednorodnością i gładszą powierzchnią. W sonikowanych nanokompozytach większość cząstek TiO2 była osadzona w matrycy Cu-Sn. Wprowadzenie mieszania ultradźwiękowego poprawia rozkład powierzchniowy nanocząstek TiO2 i utrudnia agregację.
Wykazano, że nanokompozytowe powłoki Cu-Sn-TiO2 utworzone metodą elektrodepozycji wspomaganej ultradźwiękami wykazują doskonałe właściwości przeciwdrobnoustrojowe wobec bakterii 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)

Wysokowydajne urządzenia sonoelektrochemiczne

Hielscher Ultrasonics dostarcza wysokiej klasy urządzenia ultradźwiękowe do niezawodnego i wydajnego sono-elektrodepozycji / sonoelectroplatingu nanomateriałów. Zakres produktów obejmuje systemy ultradźwiękowe o wysokiej mocy, sono-elektrody, reaktory i komórki dla aplikacji osadzania sono-elektrochemicznego.