Соноэлектрохимическое осаждение

Соноэлектрохимическое осаждение – это метод синтеза, который сочетает в себе сонохимию и электрохимию для высокоэффективного и экологически чистого производства наноматериалов. Известное как быстрое, простое и эффективное, соноэлектрохимическое осаждение позволяет осуществлять синтез наночастиц и нанокомпозитов под контролем формы.

Соноэлектроосаждение наночастиц

Для соноэлектроосаждения (также соноэлектрохимического осаждения, сонохимического гальванического покрытия или сонохимического электроосаждения) с целью синтеза наночастиц в качестве электродов используют один или два ультразвуковых зонда (сонотроды или рога). Метод соноэлектрохимического осаждения отличается высокой эффективностью, а также простотой и безопасностью в эксплуатации, что позволяет синтезировать наночастицы и наноструктуры в больших количествах. Кроме того, соноэлектрохимическое осаждение является интенсифицированным процессом, что означает, что ультразвук ускоряет процесс электролиза, так что реакция может протекать в более эффективных условиях.
Применение силового ультразвука к суспензиям значительно увеличивает процессы массопереноса за счет макроскопического потока и микроскопических межфазных кавитационных сил. На ультразвуковых электродах (соноэлектродах) ультразвуковая вибрация и кавитация непрерывно удаляют продукты реакции с поверхности электрода. Удаляя любые пассивирующие отложения, поверхность электрода постоянно доступна для синтеза новых частиц.
Кавитация, генерируемая ультразвуком, способствует образованию гладких и однородных наночастиц, которые равномерно распределяются в жидкой фазе.

Соноэлектрохимическое осаждение наночастиц

Когда ультразвуковое поле прикладывается к жидкому электролиту, различные ультразвуковые кавитационные явления, такие как акустическое обтекание и микроструйное тирование, ударные волны, усиление массопереноса от/к электроду и очистка поверхности (удаление пассивирующих слоев), способствуют процессам электроосаждения / гальванического покрытия. Благотворное влияние ультразвуковой обработки на электроосаждение / гальваническое покрытие уже было продемонстрировано для многих наночастиц, включая металлические наночастицы, полупроводниковые наночастицы, наночастицы ядра-оболочки и легированные наночастицы.
Сонохимически электроосажденные метталические наночастицы, такие как Cr, Cu и Fe, демонстрируют значительное увеличение твердости, в то время как Zn демонстрирует повышенную коррозионную стойкость.
Mastai et al. (1999) синтезировали наночастицы CdSe путем соноэлектрохимического осаждения. Регулировка различных параметров электроосаждения и ультразвука позволяет изменять размер кристаллов наночастиц CdSe от рентгеновских аморфных до 9 нм (фалеритовая фаза).

Ashassi-Sorkhabi and Bagheri (2014) продемонстрировали преимущества соноэлектрохимического синтеза полипиррола (PPy) на стали St-12 в среде щавелевой кислоты с использованием гальваностатического метода с плотностью тока 4 мА/см2. Прямое применение низкочастотного ультразвука с помощью ультразвукового аппарата UP400S привело к получению более компактных и однородных поверхностных структур полипиррола. Результаты показали, что стойкость покрытия (Rcoat), коррозионная стойкость (Rcorr) и стойкость по Варбургу образцов, полученных ультразвуком, были выше, чем у полипиррола, синтезированного неультразвуком. Изображения сканирующей электронной микроскопии визуализировали положительное влияние ультразвука во время электроосаждения на морфологию частиц: результаты показывают, что соноэлектрохимический синтез дает сильно адгезивные и гладкие покрытия полипиррола. Сравнивая результаты соноэлектроосаждения с обычным электроосаждением, становится ясно, что покрытия, полученные методом соноэлектрохимии, обладают более высокой коррозионной стойкостью. Ультразвуковая обработка электрохимической ячейки приводит к усиленному массообмену и активации поверхности рабочего электрода. Эти эффекты вносят существенный вклад в высокоэффективный, высококачественный синтез полипиррола.

СЭМ-изображения (a) PPy и (b) покрытий из соноэлектрохимического осажденного полипиррола (PPy-US) на стали St-12 (увеличение 7500×)
(Этюд и фотографии: © Ашасси-Сорхаби и Багери, 2014)

Соноэлектрохимическое осаждение нанокомпозитов

Комбинация ультразвука с электроосаждением эффективна и позволяет легко синтезировать нанокомпозиты.
Kharitonov et al. (2021) синтезировали нанокомпозитные покрытия Cu–Sn–TiO2 методом сонохимического электроосаждения из ванны со щавелевой кислотой, дополнительно содержащей 4 г/дм3 TiO2, при механическом и ультразвуковом перемешивании. Ультразвуковое лечение проводилось с помощью ультразвукового аппарата Hielscher UP200Ht на частоте 26 кГц и мощности 32 Вт/дм3. Результаты показали, что ультразвуковое перемешивание снижает агломерацию частиц TiO2 и позволяет осаждать плотные нанокомпозиты Cu–Sn–TiO2. По сравнению с обычным механическим перемешиванием, покрытия Cu–Sn–TiO2, нанесенные под воздействие ультразвука, характеризуются более высокой однородностью и более гладкой поверхностью. В нанокомпозитах, обработанных ультразвуком, большая часть частиц TiO2 была встроена в матрицу Cu–Sn. Введение ультразвукового возбуждения улучшает поверхностное распределение наночастиц TiO2 и препятствует агрегации.
Показано, что нанокомпозитные покрытия Cu–Sn–TiO2, полученные методом ультразвукового электроосаждения, обладают отличными антимикробными свойствами в отношении бактерий E. coli.

СЭМ-изображения соно-электрохимически осажденных покрытий Cu–Sn–TiO2 с катодной плотностью тока 0,5 А/дм2 и 1,0 А/дм2.
(исследование и фото: © Харитонов и др., 2021)

Высокопроизводительное соноэлектрохимическое оборудование

Hielscher Ultrasonics поставляет высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для надежного и эффективного соноэлектроосаждения / соногальванического покрытия наноматериалов. Ассортимент продукции включает в себя мощные ультразвуковые системы, соноэлектроды, реакторы и ячейки для применения в соноэлектрохимическом осаждении.