Соноэлектрохимическое осаждение

Соноэлектрохимическое осаждение – это метод синтеза, сочетающий сонохимию и электрохимию для высокоэффективного и экологически безопасного производства наноматериалов. Соноэлектрохимическое осаждение известно как быстрый, простой и эффективный метод, позволяющий синтезировать наночастицы и нанокомпозиты с контролируемой формой.

Соноэлектроосаждение наночастиц

Для соноэлектроосаждения (также называемого соноэлектрохимическим осаждением, сонохимическим нанесением гальванических покрытий или сонохимическим электроосаждением) с целью синтеза наночастиц в качестве электродов используют один или два ультразвуковых зонда (сонотрода или рупора). Метод соноэлектрохимического осаждения высокоэффективен, прост и безопасен в применении, что позволяет синтезировать наночастицы и наноструктуры в больших количествах. Кроме того, соноэлектрохимическое осаждение представляет собой интенсифицированный процесс: обработка ультразвуком ускоряет электролиз, позволяя проводить реакцию в более эффективных условиях.
Воздействие мощного ультразвука на суспензии значительно усиливает процессы массопереноса благодаря макроскопическим потокам и микроскопическим кавитационным силам на границах раздела фаз. На ультразвуковых электродах (соноэлектродах) ультразвуковые колебания и кавитация непрерывно удаляют продукты реакции с поверхности электрода. Благодаря удалению любых пассивирующих отложений поверхность электрода постоянно остается доступной для синтеза новых частиц.
Кавитация, создаваемая ультразвуком, способствует образованию гладких и однородных наночастиц, равномерно распределенных в жидкой фазе.

Соноэлектрохимическое осаждение наночастиц

При воздействии ультразвукового поля на жидкий электролит различные явления ультразвуковой кавитации, такие как акустические потоки и образование микроструй, ударные волны, усиление массопереноса от электрода и к нему, а также очистка поверхности (удаление пассивирующих слоев), способствуют процессам электроосаждения / нанесения гальванических покрытий. Благоприятное влияние обработки ультразвуком на электроосаждение / нанесение гальванических покрытий уже продемонстрировано для многочисленных наночастиц, включая металлические наночастицы, полупроводниковые наночастицы, наночастицы типа «ядро–оболочка» и легированные наночастицы.
Металлические наночастицы, такие как Cr, Cu и Fe, полученные сонохимическим электроосаждением, демонстрируют значительное повышение твердости, тогда как Zn демонстрирует повышенную коррозионную стойкость.
Mastai и соавт. (1999) синтезировали наночастицы CdSe методом соноэлектрохимического осаждения. Регулирование различных параметров электроосаждения и ультразвукового воздействия позволяет изменять размер кристаллов наночастиц CdSe от рентгеноаморфного состояния до 9 nm (сфалеритная фаза).

Ashassi-Sorkhabi и Bagheri (2014) продемонстрировали преимущества соноэлектрохимического синтеза полипиррола (PPy) на стали St-12 в среде щавелевой кислоты с использованием гальваностатического метода при плотности тока 4 mA/cm2. Прямое воздействие низкочастотного ультразвука с помощью ультразвукового аппарата UP400S привело к формированию более плотных и более однородных поверхностных структур полипиррола. Результаты показали, что сопротивление покрытия (Rcoat), коррозионное сопротивление (Rcorr) и сопротивление Варбурга у образцов, полученных с помощью ультразвука, были выше, чем у полипиррола, синтезированного без ультразвука. Изображения сканирующей электронной микроскопии наглядно показали положительное влияние обработки ультразвуком во время электроосаждения на морфологию частиц: результаты свидетельствуют о том, что соноэлектрохимический синтез позволяет получать гладкие покрытия из полипиррола с высокой адгезией. Сравнение результатов соноэлектроосаждения с обычным электроосаждением ясно показывает, что покрытия, полученные соноэлектрохимическим методом, обладают более высокой коррозионной стойкостью. Обработка электрохимической ячейки ультразвуком усиливает массоперенос и активирует поверхность рабочего электрода. Эти эффекты вносят значительный вклад в высокоэффективный синтез полипиррола высокого качества.

СЭМ-изображения покрытий на стали St-12: (a) PPy и (b) полипиррол, осажденный соноэлектрохимическим методом (PPy-US) (увеличение 7500×)
(исследование и изображения: © Ashassi-Sorkhabi и Bagheri, 2014)

Соноэлектрохимическое осаждение нанокомпозитов

Сочетание обработки ультразвуком с электроосаждением эффективно и позволяет легко синтезировать нанокомпозиты.
Kharitonov и соавт. (2021) синтезировали нанокомпозитные покрытия Cu–Sn–TiO2 методом сонохимического электроосаждения из электролита на основе щавелевой кислоты, дополнительно содержащего 4 g/dm3 TiO2, при механическом и ультразвуковом перемешивании. Обработку ультразвуком проводили с помощью ультразвукового аппарата Hielscher UP200Ht при частоте 26 kHz и мощности 32 W/dm3. Результаты показали, что ультразвуковое перемешивание уменьшает агломерацию частиц TiO2 и позволяет осаждать плотные нанокомпозиты Cu–Sn–TiO2. По сравнению с обычным механическим перемешиванием покрытия Cu–Sn–TiO2, осажденные при обработке ультразвуком, характеризуются более высокой однородностью и более гладкой поверхностью. В нанокомпозитах, полученных при обработке ультразвуком, большинство частиц TiO2 было встроено в матрицу Cu–Sn. Применение ультразвукового перемешивания улучшает распределение наночастиц TiO2 по поверхности и препятствует агрегации.
Показано, что нанокомпозитные покрытия Cu–Sn–TiO2, сформированные методом электроосаждения с помощью ультразвука, обладают превосходными антимикробными свойствами в отношении бактерий E. coli.

СЭМ-изображения покрытий Cu–Sn–TiO2, осажденных соноэлектрохимическим методом при катодной плотности тока 0,5 A/dm2 и 1,0 A/dm2.
(исследование и изображения: © Kharitonov и соавт., 2021)

Высокопроизводительное соноэлектрохимическое оборудование

Hielscher Ultrasonics поставляет высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для надежного и эффективного соноэлектроосаждения / сонохимического нанесения гальванических покрытий из наноматериалов. Ассортимент включает мощные ультразвуковые системы, соноэлектроды, реакторы и ячейки для ваших задач соноэлектрохимического осаждения.