Deposição sonoeletroquímica

A deposição sonoeletroquímica é uma técnica de síntese que combina sonoquímica e eletroquímica para uma produção de nanomateriais altamente eficiente e respeitadora do ambiente. Reconhecida pela sua rapidez, simplicidade e eficácia, a deposição sonoeletroquímica permite a síntese de nanopartículas e nanocompósitos com controlo da forma.

Sonoeletrodeposição de nanopartículas

Na sonoeletrodeposição (também denominada deposição sonoeletroquímica, galvanoplastia sonoquímica ou eletrodeposição sonoquímica) destinada à síntese de nanopartículas, utilizam-se uma ou duas sondas ultrassónicas (sonotrodos ou cornetas) como elétrodos. O método de deposição sonoeletroquímica é altamente eficiente, bem como simples e seguro de operar, permitindo sintetizar nanopartículas e nanoestruturas em grandes quantidades. Além disso, a deposição sonoeletroquímica é um processo intensificado, o que significa que a sonicação acelera o processo de eletrólise, permitindo que a reação decorra em condições mais eficazes.
A aplicação de ultrassons de potência a suspensões aumenta significativamente os processos de transferência de massa devido ao escoamento macroscópico e às forças microscópicas de cavitação nas interfaces. Nos elétrodos ultrassónicos (sonoelétrodos), a vibração ultrassónica e a cavitação removem continuamente os produtos da reação da superfície do elétrodo. Ao remover quaisquer depósitos passivantes, a superfície do elétrodo fica continuamente disponível para a síntese de novas partículas.
A cavitação gerada por ultrassons promove a formação de nanopartículas lisas e uniformes, distribuídas homogeneamente na fase líquida.

Deposição sonoeletroquímica de nanopartículas

Quando se aplica um campo ultrassónico a um eletrólito líquido, diversos fenómenos de cavitação ultrassónica, como o escoamento acústico e a formação de microjatos, as ondas de choque, o aumento da transferência de massa de/para o elétrodo e a limpeza da superfície (remoção de camadas passivantes), promovem os processos de eletrodeposição / galvanoplastia. Os efeitos benéficos da sonicação na eletrodeposição / galvanoplastia já foram demonstrados para numerosas nanopartículas, incluindo nanopartículas metálicas, nanopartículas semicondutoras, nanopartículas núcleo–casca e nanopartículas dopadas.
As nanopartículas metálicas eletrodepositadas por via sonoquímica, como Cr, Cu e Fe, apresentam um aumento significativo da dureza, enquanto o Zn apresenta uma maior resistência à corrosão.
Mastai et al. (1999) sintetizaram nanopartículas de CdSe por deposição sonoeletroquímica. O ajuste de vários parâmetros de eletrodeposição e de ultrassons permite modificar o tamanho dos cristais das nanopartículas de CdSe, desde um estado amorfo à análise por raios X até 9 nm (fase de esfalerite).

Ashassi-Sorkhabi e Bagheri (2014) demonstraram as vantagens da síntese sonoeletroquímica de polipirrol (PPy) sobre aço St-12 num meio de ácido oxálico, utilizando uma técnica galvanostática com uma densidade de corrente de 4 mA/cm2. A aplicação direta de ultrassons de baixa frequência com o sonicador UP400S conduziu a estruturas superficiais de polipirrol mais compactas e mais homogéneas. Os resultados mostraram que a resistência do revestimento (Rcoat), a resistência à corrosão (Rcorr) e a resistência de Warburg das amostras preparadas por ultrassons eram superiores às do polipirrol sintetizado sem ultrassons. As imagens de microscopia eletrónica de varrimento evidenciaram os efeitos positivos da aplicação de ultrassons durante a eletrodeposição na morfologia das partículas: os resultados revelam que a síntese sonoeletroquímica produz revestimentos de polipirrol fortemente aderentes e lisos. Comparando os resultados da sonoeletrodeposição com os da eletrodeposição convencional, é evidente que os revestimentos preparados pelo método de sonoeletroquímica apresentam maior resistência à corrosão. A sonicação da célula eletroquímica resulta num aumento da transferência de massa e na ativação da superfície do elétrodo de trabalho. Estes efeitos contribuem significativamente para uma síntese de polipirrol altamente eficiente e de elevada qualidade.

Imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) de revestimentos de (a) PPy e (b) polipirrol depositado por via sonoeletroquímica (PPy-US) sobre aço St-12 (ampliação de 7500×)
(estudo e imagens: © Ashassi-Sorkhabi e Bagheri, 2014)

Deposição sonoeletroquímica de nanocompósitos

A combinação da aplicação de ultrassons com a eletrodeposição é eficaz e permite uma síntese simples de nanocompósitos.
Kharitonov et al. (2021) sintetizaram revestimentos nanocompósitos de Cu–Sn–TiO2 por eletrodeposição sonoquímica a partir de um banho de ácido oxálico que continha adicionalmente 4 g/dm3 de TiO2, sob agitação mecânica e ultrassónica. O tratamento ultrassónico foi realizado com o sonicador Hielscher UP200Ht a uma frequência de 26 kHz e uma potência de 32 W/dm3. Os resultados demonstraram que a agitação ultrassónica diminui a aglomeração das partículas de TiO2 e permite a deposição de nanocompósitos densos de Cu–Sn–TiO2. Em comparação com a agitação mecânica convencional, os revestimentos de Cu–Sn–TiO2 depositados sob sonicação caracterizam-se por uma maior homogeneidade e uma superfície mais lisa. Nos nanocompósitos sonicados, a maioria das partículas de TiO2 ficou incorporada na matriz de Cu–Sn. A introdução de agitação ultrassónica melhora a distribuição superficial das nanopartículas de TiO2 e impede a agregação.
Foi demonstrado que os revestimentos nanocompósitos de Cu–Sn–TiO2 formados por eletrodeposição assistida por ultrassons apresentam excelentes propriedades antimicrobianas contra bactérias E. coli.

Imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM) de revestimentos de Cu–Sn–TiO2 depositados por via sonoeletroquímica com densidades de corrente catódica de 0,5 A/dm2 e 1,0 A/dm2.
(estudo e imagens: © Kharitonov et al., 2021)

Equipamento sonoeletroquímico de elevado desempenho

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