Sonoelektrochemická depozícia

Sonoelektrochemická depozícia je technika syntézy, ktorá spája sonochémiu a elektrochémiu na vysoko účinnú a ekologickú výrobu nanomateriálov. Sonoelektrochemická depozícia, známa svojou rýchlosťou, jednoduchosťou a účinnosťou, umožňuje syntézu nanočastíc a nanokompozitov s riadeným tvarom.

Sonoelektrodepozícia nanočastíc

Pri sonoelektrodepozícii (nazývanej aj sonoelektrochemická depozícia, sonochemické galvanické pokovovanie alebo sonochemická elektrodepozícia) na účely syntézy nanočastíc sa ako elektródy používajú jedna alebo dve ultrazvukové sondy (sonotródy alebo ultrazvukové rohy). Metóda sonoelektrochemickej depozície je vysoko účinná a zároveň sa jednoducho a bezpečne prevádzkuje, čo umožňuje syntetizovať nanočastice a nanoštruktúry vo veľkých množstvách. Sonoelektrochemická depozícia je navyše intenzifikovaný proces, čo znamená, že sonikácia urýchľuje elektrolýzu, takže reakcia môže prebiehať za účinnejších podmienok.
Pôsobenie výkonového ultrazvuku na suspenzie výrazne zintenzívňuje procesy prenosu hmoty vďaka makroskopickému prúdeniu a mikroskopickým kavitačným silám na rozhraní. Na ultrazvukových elektródach (sonoelektródach) ultrazvukové vibrácie a kavitácia nepretržite odstraňujú reakčné produkty z povrchu elektródy. Odstraňovaním akýchkoľvek pasivujúcich usadenín zostáva povrch elektródy neustále dostupný na syntézu nových častíc.
Kavitácia vyvolaná ultrazvukom podporuje tvorbu hladkých a rovnomerných nanočastíc, ktoré sú homogénne rozptýlené v kvapalnej fáze.

Sonoelektrochemická depozícia nanočastíc

Keď na kvapalný elektrolyt pôsobí ultrazvukové pole, rôzne javy ultrazvukovej kavitácie, ako sú akustické prúdenie a mikroprúdy, rázové vlny, zintenzívnenie prenosu hmoty od elektródy a k elektróde a čistenie povrchu (odstraňovanie pasivujúcich vrstiev), podporujú procesy elektrodepozície / galvanického pokovovania. Priaznivé účinky sonikácie na elektrodepozíciu / galvanické pokovovanie už boli preukázané pri mnohých nanočasticiach vrátane kovových nanočastíc, polovodičových nanočastíc, nanočastíc typu jadro–obal a dopovaných nanočastíc.
Sonochemicky elektrodeponované kovové nanočastice, ako sú Cr, Cu a Fe, vykazujú výrazné zvýšenie tvrdosti, zatiaľ čo Zn vykazuje zvýšenú odolnosť proti korózii.
Mastai et al. (1999) syntetizovali nanočastice CdSe pomocou sonoelektrochemickej depozície. Úpravy rôznych parametrov elektrodepozície a ultrazvuku umožňujú meniť veľkosť kryštálov nanočastíc CdSe od röntgenovo amorfného stavu až po 9 nm (sfaleritová fáza).

Ashassi-Sorkhabi a Bagheri (2014) preukázali výhody sonoelektrochemickej syntézy polypyrolu (PPy) na oceli St-12 v prostredí kyseliny šťaveľovej pomocou galvanostatickej techniky s prúdovou hustotou 4 mA/cm2. Priama aplikácia nízkofrekvenčného ultrazvuku pomocou ultrazvukového prístroja UP400S viedla ku kompaktnejším a homogénnejším povrchovým štruktúram polypyrolu. Výsledky ukázali, že odpor povlaku (Rcoat), korózny odpor (Rcorr) a Warburgov odpor ultrazvukom pripravených vzoriek boli vyššie ako pri polypyrole syntetizovanom bez ultrazvuku. Snímky zo skenovacej elektrónovej mikroskopie znázornili pozitívne účinky pôsobenia ultrazvuku počas elektrodepozície na morfológiu častíc: Výsledky ukazujú, že sonoelektrochemická syntéza poskytuje silne priľnavé a hladké polypyrolové povlaky. Z porovnania výsledkov sonoelektrodepozície s konvenčnou elektrodepozíciou je zrejmé, že povlaky pripravené sonoelektrochemickou metódou majú vyššiu odolnosť proti korózii. Sonikácia elektrochemického článku vedie k zintenzívneniu prenosu hmoty a k aktivácii povrchu pracovnej elektródy. Tieto účinky výrazne prispievajú k vysoko účinnej a kvalitnej syntéze polypyrolu.

SEM snímky povlakov (a) PPy a (b) sonoelektrochemicky deponovaného polypyrolu (PPy-US) na oceli St-12 (zväčšenie 7500×)
(štúdia a snímky: © Ashassi-Sorkhabi a Bagheri, 2014)

Sonoelektrochemická depozícia nanokompozitov

Kombinácia pôsobenia ultrazvuku s elektrodepozíciou je účinná a umožňuje jednoduchú syntézu nanokompozitov.
Kharitonov et al. (2021) syntetizovali nanokompozitné povlaky Cu–Sn–TiO2 sonochemickou elektrodepozíciou z kúpeľa kyseliny šťaveľovej, ktorý navyše obsahoval 4 g/dm3 TiO2, pri mechanickom a ultrazvukovom miešaní. Ultrazvukové spracovanie sa vykonávalo pomocou ultrazvukového prístroja Hielscher UP200Ht pri frekvencii 26 kHz a výkone 32 W/dm3. Výsledky preukázali, že ultrazvukové miešanie znižuje aglomeráciu častíc TiO2 a umožňuje depozíciu hutných nanokompozitov Cu–Sn–TiO2. V porovnaní s konvenčným mechanickým miešaním sa povlaky Cu–Sn–TiO2 deponované pri sonikácii vyznačujú vyššou homogenitou a hladším povrchom. V sonikovaných nanokompozitoch bola väčšina častíc TiO2 zabudovaná do matrice Cu–Sn. Zavedenie ultrazvukového miešania zlepšuje rozloženie nanočastíc TiO2 na povrchu a bráni agregácii.
Ukazuje sa, že nanokompozitné povlaky Cu–Sn–TiO2 vytvorené elektrodepozíciou za pomoci ultrazvuku vykazujú vynikajúce antimikrobiálne vlastnosti proti baktériám E. coli.

SEM snímky sonoelektrochemicky deponovaných povlakov Cu–Sn–TiO2 pri katódovej prúdovej hustote 0,5 A/dm2 a 1,0 A/dm2.
(štúdia a snímky: © Kharitonov et al., 2021)

Vysokovýkonné sonoelektrochemické zariadenia

Hielscher Ultrasonics dodáva vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia na spoľahlivú a účinnú sonoelektrodepozíciu / sonoelektrolytické pokovovanie nanomateriálov. Sortiment zahŕňa vysokovýkonné ultrazvukové systémy, sonoelektródy, reaktory a články pre vašu aplikáciu sonoelektrochemickej depozície.