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 контролируемый по форме синтез наночастиц и нанокомпозитов.

Соно-электроосаждение наночастиц

Для соноэлектродизации (также соноэлектрохимического осаждения, сонохимического гальванического покрытия или сонохимического электроосаждения) с целью синтеза наночастиц в качестве электродов используют один или два ультразвуковых зонда (сонотроды или рожки). Метод соноэлектрохимического осаждения является высокоэффективным, а также простым и безопасным в эксплуатации, что позволяет синтезировать наночастицы и наноструктуры в больших количествах. Кроме того, соноэлектрохимическое осаждение является интенсифицированным процессом, что означает, что обработка ультразвуком ускоряет процесс электролиза, так что реакция может быть запущена в более эффективных условиях.
Применение мощности ультразвука к суспензиям значительно увеличивает процессы массопереноса за счет макроскопического струя и микроскопических межфазных кавитационных сил. На ультразвуковых электродах (соноэлектродах) ультразвуковая вибрация и кавитация непрерывно удаляет продукты реакции с поверхности электрода. Удаляя любые пассивирующие отложения, поверхность электрода непрерывно доступна для синтеза новых частиц.
Ультразвуковая кавитация способствует образованию гладких и однородных наночастиц, которые равномерно распределены в жидкой фазе.

Соноэлектрохимическое осаждение наночастиц

При применении ультразвукового поля к жидкому электролиту различные явления ультразвуковой кавитации, такие как акустическая струя и микроструйная обработка, ударные волны, усиление массопереноса от/до электрода и очистка поверхности (удаление пассивирующих слоев), способствуют процессам электроосаждения/ гальванизации. Благотворное влияние ультразвука на электроосаждение / гальваническое покрытие уже было продемонстрировано для многочисленных наночастиц, включая металлические наночастицы, полупроводниковые наночастицы, наночастицы ядра-оболочки и легированные наночастицы.
Сонохимически электроосажденные меттальные наночастицы, такие как Cr, Cu и Fe, показывают значительное увеличение твердости, в то время как Zn показывает повышенную коррозионную стойкость.
Mastai et al. (1999) синтезировали наночастицы CdSe посредством соноэлектрохимического осаждения. Корректировки различных электроосаждений и ультразвуковых параметров позволяют изменять размер кристаллов наночастиц CdSe от рентгеновских аморфных до 9 нм (сфалеритовая фаза).

Ashassi-Sorkhabi and Bagheri (2014) продемонстрировали преимущества соно-электрохимического синтеза полипиррола (PPy) на стали St-12 в среде щавелевой кислоты с использованием гальваностатической техники с плотностью тока 4 мА/см2. Прямое применение низкочастотного ультразвука с использованием ультразвукового аппарата UP400S привело к созданию более компактных и однородных поверхностных структур полипиррола. Результаты показали, что стойкость покрытия (Rcoat), коррозионная стойкость (Rcorr) и сопротивление Варбурга ультразвуково подготовленных образцов были выше, чем у не ультразвуково синтезированных полипирролей. Изображения сканирующей электронной микроскопии визуализировали положительное влияние ультразвука при электроосаждении на морфологию частиц: результаты показывают, что соноэлектрохимический синтез дает сильно адгезивные и гладкие покрытия полипиррола. Сравнивая результаты соноэлектронапыления с обычным электроосаждением, становится ясно, что покрытия, приготовленные методом соноэлектрохимии, обладают более высокой коррозионной стойкостью. Обработка электрохимической ячейки ультразвуком приводит к усилению массообмена и активации поверхности рабочего электрода. Эти эффекты вносят значительный вклад в высокоэффективный, высококачественный синтез полипиррола.

SEM изображения (a) PPy и (b) соноэлектрохимических полипиррольных (PPy-US) покрытий на стали St-12 (увеличение 7500×)
(этюд и фотографии: © Ашасси-Сорхаби и Багери, 2014)

Соноэлектрохимическое осаждение нанокомпозитов

Сочетание ультразвука с электроосаждением является эффективным и позволяет осуществлять легкий синтез нанокомпозитов.
Харитонов и др. (2021) синтезировали нанокомпозитные покрытия Cu–Sn–TiO2 методом сонохимического электроосаждения из ванны щавелевой кислоты, дополнительно содержащей 4 г/дм3 TiO2 при механическом и ультразвуковом перемешивании. Ультразвуковое лечение проводилось ультразвуковым аппаратом Hielscher UP200Ht на частоте 26 кГц и мощности 32 Вт/дм3. Результаты показали, что ультразвуковое перемешивание уменьшает агломерацию частиц TiO2 и позволяет депонировать плотные нанокомпозиты Cu-Sn-TiO2. По сравнению с обычным механическим перемешиванием, покрытия Cu-Sn-TiO2, нанесенные при обработке ультразвуком, характеризуются более высокой однородностью и более гладкой поверхностью. В ультразвуковых нанокомпозитах большинство частиц TiO2 были встроены в матрицу Cu-Sn. Введение ультразвукового перемешивания улучшает поверхностное распределение наночастиц TiO2 и препятствует агрегации.
Показано, что нанокомпозитные покрытия Cu–Sn–TiO2, образованные ультразвуковым электроосаждением, проявляют отличные антимикробные свойства в отношении бактерий E. coli.

SEM изображения соно-электрохимически осажденных покрытий Cu–Sn–TiO2 при плотности катодного тока 0,5 А/дм2 и 1,0 А/дм2.
(этюд и фотографии: © Харитонов и др., 2021)

Высокопроизводительное соноэлектрохимическое оборудование

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