Sonoelectrochemická depozícia
Sonoelectrochemická depozícia je technika syntézy, ktorá kombinuje sonochémiu a elektrochémiu pre vysoko efektívnu a ekologickú výrobu nanomateriálov. Známe ako rýchle, jednoduché a efektívne, sonoelectrochemická depozícia umožňuje tvarovo riadenú syntézu nanočastíc a nanokompozitov.
Sono-elektróda nanočastíc
Pre sonoelectrodepozíciu (tiež sonoeletrochemická depozícia, sonochemické galvanické pokovovanie alebo sonochemická elektróda) s cieľom syntézy nanočastíc sa ako elektródy používajú jedna alebo dve ultrazvukové sondy (sonotródy alebo rohy). Metóda sonoelectrochemickej depozície je vysoko efektívna, ako aj jednoduchá a bezpečná na obsluhu, čo umožňuje syntetizovať nanočastice a nanoštruktúry vo veľkých množstvách. Okrem toho je sonoelectrochemická depozícia intenzívnym procesom, čo znamená, že sonikácia urýchľuje proces elektrolýzy, takže reakcia môže prebiehať za účinnejších podmienok.
Použitie výkonového ultrazvuku na suspenzie významne zvyšuje procesy prenosu hmoty v dôsledku makroskopického prúdenia a mikroskopických medzifázových kavitačných síl. Na ultrazvukových elektródach (sono-elektródy) ultrazvukové vibrácie a kavitácia nepretržite odstraňujú reakčné produkty z povrchu elektródy. Odstránením akýchkoľvek pasivačných depozícií je povrch elektródy nepretržite dostupný pre syntézu nových častíc.
Kavitácia generovaná ultrazvukom podporuje tvorbu hladkých a rovnomerných nanočastíc, ktoré sú homogénne distribuované v kvapalnej fáze.
2x ultrazvukové procesory so sondami, ktoré pôsobia ako elektródy, t.j. katóda a anóda. Ultrazvukové vibrácie a kavitácia podporujú elektrochemické procesy.
- nanočastice
- nanočastice s jadrom a plášťom
- Podpora zdobená nanočasticami
- nanoštruktúry
- nanokompozity
- povlaky
Sonoelectrochemická depozícia nanočastíc
Keď sa ultrazvukové pole aplikuje na kvapalný elektrolyt, rôzne ultrazvukové kavitačné javy, ako je akustické prúdenie a mikroprúdenie, rázové vlny, zlepšenie prenosu hmoty z / na elektródu a čistenie povrchu (odstránenie pasivačných vrstiev) podporujú procesy elektrodepozície / galvanického pokovovania. Priaznivé účinky sonikácie na elektródovanie / galvanické pokovovanie už boli preukázané u mnohých nanočastíc, vrátane kovových nanočastíc, polovodičových nanočastíc, nanočastíc jadra a plášťa a dopovaných nanočastíc.
Sonochemicky elektrousadenzované mettalické nanočastice, ako sú Cr, Cu a Fe, vykazujú významné zvýšenie tvrdosti, zatiaľ čo Zn vykazuje zvýšenú odolnosť proti korózii.
Mastai et al. (1999) syntetizovali nanočastice CdSe prostredníctvom sonoelectrochemickej depozície. Úpravy rôznych elektródových a ultrazvukových parametrov umožňujú modifikovať veľkosť kryštálov nanočastíc CdSe z röntgenového amorfného až do 9 nm (sfaleritová fáza).
Ashassi-Sorkhabi a Bagheri (2014) demonštrovali výhody sono-elektrochemickej syntézy polypyrrolu (PPy) na oceli St-12 v médiu kyseliny šťaveľovej pomocou galvanostatickej techniky s prúdovou hustotou 4 mA/cm2. Priama aplikácia nízkofrekvenčného ultrazvuku pomocou ultrasonicatora UP400S viedla k kompaktnejším a homogénnejším povrchovým štruktúram polypyrolu. Výsledky ukázali, že odolnosť povlaku (Rcoat), odolnosť proti korózii (Rcorr) a Warburgova odolnosť ultrazvukom pripravených vzoriek boli vyššie ako u ultrazvukom syntetizovaného polypyrolu. Obrázky skenovacej elektrónovej mikroskopie vizualizovali pozitívne účinky ultrazvuku počas elektródy na morfológiu častíc: Výsledky ukazujú, že sonoelectrochemická syntéza poskytuje silne priľnavé a hladké povlaky polypyrolu. Pri porovnaní výsledkov sono-elektro-depozície s konvenčnou elektrodepozíciou je zrejmé, že povlaky pripravené sonoelectrochemickou metódou majú vyššiu odolnosť proti korózii. Sonikácia elektrochemického článku vedie k zvýšenému prenosu hmoty a aktivácii povrchu pracovnej elektródy. Tieto účinky významne prispievajú k vysoko účinnej a kvalitnej syntéze polypyrolu.
SEM snímky (a) PPy a (b) sonoelectrochemiálnych nanesených polypyrrolových (PPy-US) povlakov na oceli St-12 (zväčšenie 7500×)
(štúdia a obrázky: © Ashassi-Sorkhabi a Bagheri, 2014)
Sonochemická elektróda umožňuje vyrábať nanočastice, nanočastice jadrového plášťa, podporu potiahnutú nanočasticami a nanoštruktúrované materiály.
(obrázok a štúdia: ©Islam et al. 2019)
Sonoelectrochemická depozícia nanokompozitov
Kombinácia ultrazvuku s elektrodepozíciou je účinná a umožňuje jednoduchú syntézu nanokompozitov.
Kharitonov et al. (2021) syntetizovali nanokompozitné Cu-Sn-TiO2 povlaky sonochemickou elektrodepozíciou z kúpeľa kyseliny šťaveľovej dodatočne obsahujúcej 4 g/dm3 TiO2 pri mechanickom a ultrazvukovom miešaní. Ultrazvukové ošetrenie bolo vykonané s Hielscher ultrasonicator UP200Ht pri frekvencii 26 kHz a výkone 32 W / dm3. Výsledky ukázali, že ultrazvukové miešanie znižuje aglomeráciu častíc TiO2 a umožňuje ukladanie hustých nanokompozitov Cu-Sn-TiO2. V porovnaní s konvenčným mechanickým miešaním sa povlaky Cu-Sn-TiO2 nanášané pri sonikácii vyznačujú vyššou homogenitou a hladším povrchom. V sonikovaných nanokompozitoch bola väčšina častíc TiO2 vložená do Cu-Sn matrice. Zavedenie ultrazvukového miešania zlepšuje povrchovú distribúciu nanočastíc TiO2 a bráni agregácii.
Je preukázané, že nanokompozitné Cu-Sn-TiO2 povlaky tvorené ultrazvukom asistovanou elektródou vykazujú vynikajúce antimikrobiálne vlastnosti proti baktériám E. coli.
SEM snímky sono-elektrochemicky uložených povlakov Cu–Sn–TiO2 pri hustote katodického prúdu 0,5 A/dm2 a 1,0 A/dm2.
(štúdia a obrázky: © Kharitonov et al., 2021)
Ultrazvuková sonda funguje ako elektróda. Ultrazvukové vlny podporujú elektrochemické reakcie vedúce k vyššej účinnosti, vyšším výnosom a rýchlejším konverzným pomerom.
Sonoelectrochemistry výrazne zlepšuje procesy elektródy.
Vysoko výkonné sonoelectrochemické zariadenia
Hielscher Ultrasonics dodáva vysoko výkonné ultrazvukové zariadenie pre spoľahlivú a efektívnu sono-elektródovú pozíciu / sonogalováciu nanomateriálov. Produktový rad zahŕňa vysokovýkonné ultrazvukové systémy, sono-elektródy, reaktory a články pre vašu sono-elektrochemickú depozičnú aplikáciu.
Kontaktuj nás! / Opýtajte sa nás!
Sonda ultrasonicatora UIP2000hdT pôsobí ako elektróda v sonoelectrochemickom nastavení pre syntézu nanočastíc.
Literatúra/referencie
- Dmitry S. Kharitonov, Aliaksandr A. Kasach, Denis S. Sergievich, Angelika Wrzesińska, Izabela Bobowska, Kazimierz Darowicki, Artur Zielinski, Jacek Ryl, Irina I. Kurilo (2021): Ultrasonic-assisted electrodeposition of Cu-Sn-TiO2 nanocomposite coatings with enhanced antibacterial activity. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 75, 2021.
- Ashassi-Sorkhabi, Habib; Bagheri, Robabeh (2014): Sonoelectrochemical and Electrochemical Synthesis of Polypyrrole Films on St-12 Steel and Their Corrosion and Morphological Studies. Advances in Polymer Technology 2014.
- Hyde, Michael; Compton, Richard (2002): How ultrasound influence the electrodeposition of metals. Journal of Electroanalytical Chemistry 531, 2002. 19-24.
- Mastai, Y., Polsky, R., Koltypin, Y., Gedanken, A., & Hodes, G. (1999): Pulsed Sonoelectrochemical Synthesis of Cadmium Selenide Nanoparticles. Journal of the American Chemical Society, 121(43), 1999. 10047–10052.
- Josiel Martins Costa, Ambrósio Florêncio de Almeida Neto (2020): Ultrasound-assisted electrodeposition and synthesis of alloys and composite materials: A review. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 68, 2020.
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizers z laboratórium na priemyselnej veľkosti.