Depunere sonoelectrochimică

Depunerea sonoelectrochimică este o tehnică de sinteză care combină sonochimia și electrochimia pentru o producție foarte eficientă și ecologică a nanomaterialelor. Recunoscută ca fiind rapidă, simplă și eficace, depunerea sonoelectrochimică permite sinteza cu control al formei a nanoparticulelor și nanocompozitelor.

Sono-electrodepunerea nanoparticulelor

Pentru sonoelectrodepunere (numită și depunere sonoelectrochimică, galvanizare sonochimică sau electrodepunere sonochimică) în scopul sintetizării nanoparticulelor, una sau două sonde ultrasonice (sonotrode, denumite în engleză și „horns”) sunt utilizate ca electrozi. Metoda depunerii sonoelectrochimice este foarte eficientă, precum și simplă și sigură în operare, ceea ce permite sintetizarea nanoparticulelor și nanostructurilor în cantități mari. În plus, depunerea sonoelectrochimică este un proces intensificat, ceea ce înseamnă că sonicarea accelerează procesul de electroliză, astfel încât reacția poate fi desfășurată în condiții mai eficace.
Aplicarea ultrasunetelor de putere asupra suspensiilor intensifică semnificativ procesele de transfer de masă datorită curgerii macroscopice și forțelor cavitaționale interfaciale microscopice. Pe electrozii ultrasonici (sono-electrozi), vibrația ultrasonică și cavitația îndepărtează continuu produșii de reacție de pe suprafața electrodului. Prin îndepărtarea oricăror depuneri pasivante, suprafața electrodului este disponibilă în permanență pentru sinteza de noi particule.
Cavitația generată de ultrasunete favorizează formarea de nanoparticule netede și uniforme, distribuite omogen în faza lichidă.

Depunerea sonoelectrochimică a nanoparticulelor

Atunci când un câmp ultrasonic este aplicat unui electrolit lichid, diverse fenomene de cavitație ultrasonică, precum curgerea acustică și micro-jeturile, undele de șoc, intensificarea transferului de masă dinspre/către electrod și curățarea suprafeței (îndepărtarea straturilor pasivante), favorizează procesele de electrodepunere / galvanizare. Efectele benefice ale sonicării asupra electrodepunerii / galvanizării au fost deja demonstrate pentru numeroase nanoparticule, inclusiv nanoparticule metalice, nanoparticule semiconductoare, nanoparticule de tip miez-înveliș (core-shell) și nanoparticule dopate.
Nanoparticulele metalice electrodepuse sonochimic, precum Cr, Cu și Fe, prezintă o creștere semnificativă a durității, în timp ce Zn prezintă o rezistență sporită la coroziune.
Mastai et al. (1999) au sintetizat nanoparticule de CdSe prin depunere sonoelectrochimică. Ajustarea diverșilor parametri de electrodepunere și ultrasonici permite modificarea dimensiunii cristalelor nanoparticulelor de CdSe de la amorf la raze X până la 9 nm (faza sfalerit).

Ashassi-Sorkhabi și Bagheri (2014) au demonstrat avantajele sintezei sono-electrochimice a polipirolului (PPy) pe oțel St-12 într-un mediu de acid oxalic, folosind o tehnică galvanostatică cu o densitate de curent de 4 mA/cm2. Aplicarea directă a ultrasunetelor de joasă frecvență cu ajutorul ultrasonicatorului UP400S a condus la structuri de suprafață ale polipirolului mai compacte și mai omogene. Rezultatele au arătat că rezistența acoperirii (Rcoat), rezistența la coroziune (Rcorr) și rezistența Warburg ale probelor preparate cu ultrasunete au fost mai mari decât cele ale polipirolului sintetizat fără ultrasunete. Imaginile de microscopie electronică de baleiaj au vizualizat efectele pozitive ale sonicării în timpul electrodepunerii asupra morfologiei particulelor: rezultatele arată că sinteza sonoelectrochimică produce acoperiri de polipirol netede și puternic aderente. Comparând rezultatele sono-electrodepunerii cu cele ale electrodepunerii convenționale, este clar că acoperirile preparate prin metoda sonoelectrochimică au o rezistență la coroziune mai mare. Sonicarea celulei electrochimice conduce la un transfer de masă intensificat și la activarea suprafeței electrodului de lucru. Aceste efecte contribuie semnificativ la o sinteză foarte eficientă și de înaltă calitate a polipirolului.

Imagini SEM ale acoperirilor de (a) PPy și (b) polipirol depus sonoelectrochimic (PPy-US) pe oțel St-12 (mărire de 7500×)
(studiu și imagini: © Ashassi-Sorkhabi și Bagheri, 2014)

Depunerea sonoelectrochimică a nanocompozitelor

Combinarea sonicării cu electrodepunerea este eficace și permite o sinteză facilă a nanocompozitelor.
Kharitonov et al. (2021) au sintetizat acoperiri nanocompozite Cu–Sn–TiO2 prin electrodepunere sonochimică dintr-o baie de acid oxalic care conținea suplimentar 4 g/dm3 TiO2, sub agitare mecanică și ultrasonică. Tratamentul cu ultrasunete a fost efectuat cu ultrasonicatorul Hielscher UP200Ht la o frecvență de 26 kHz și o putere de 32 W/dm3. Rezultatele au demonstrat că agitarea ultrasonică reduce aglomerarea particulelor de TiO2 și permite depunerea de nanocompozite Cu–Sn–TiO2 dense. În comparație cu agitarea mecanică convențională, acoperirile Cu–Sn–TiO2 depuse sub sonicare se caracterizează printr-o omogenitate mai mare și o suprafață mai netedă. În nanocompozitele sonicate, majoritatea particulelor de TiO2 au fost încorporate în matricea Cu–Sn. Introducerea agitării ultrasonice îmbunătățește distribuția la suprafață a nanoparticulelor de TiO2 și împiedică agregarea.
S-a demonstrat că acoperirile nanocompozite Cu–Sn–TiO2 formate prin electrodepunere asistată de ultrasunete prezintă proprietăți antimicrobiene excelente împotriva bacteriei E. coli.

Imagini SEM ale acoperirilor Cu–Sn–TiO2 depuse sono-electrochimic la o densitate de curent catodic de 0,5 A/dm2 și 1,0 A/dm2.
(studiu și imagini: © Kharitonov et al., 2021)

Echipamente sonoelectrochimice de înaltă performanță

Hielscher Ultrasonics furnizează echipamente ultrasonice de înaltă performanță pentru o sono-electrodepunere / sonogalvanizare fiabilă și eficientă a nanomaterialelor. Gama de produse include sisteme cu ultrasunete de mare putere, sono-electrozi, reactoare și celule pentru aplicația dumneavoastră de depunere sono-electrochimică.