Sonoelektrokemijsko nanašanje

Sonoelektrokemijsko nanašanje je tehnika sinteze, ki združuje sonokemijo in elektrokemijo za zelo učinkovito in okolju prijazno proizvodnjo nanomaterialov. Sonoelektrokemijsko nanašanje, znano kot hitro, preprosto in učinkovito, omogoča sintezo nanodelcev in nanokompozitov z nadzorovano obliko.

Sonoelektrodepozicija nanodelcev

Pri sonoelektrodepoziciji (imenovani tudi sonoelektrokemijsko nanašanje, sonokemijsko galvaniziranje ali sonokemijska elektrodepozicija) za sintezo nanodelcev se kot elektrodi uporabljata ena ali dve ultrazvočni sondi (sonotrodi ali rogova). Metoda sonoelektrokemijskega nanašanja je zelo učinkovita ter preprosta in varna za uporabo, kar omogoča sintezo nanodelcev in nanostruktur v velikih količinah. Poleg tega je sonoelektrokemijsko nanašanje intenziviran proces, kar pomeni, da sonikacija pospeši proces elektrolize, tako da lahko reakcija poteka v učinkovitejših pogojih.
Uporaba močnostnega ultrazvoka v suspenzijah zaradi makroskopskega strujanja in mikroskopskih kavitacijskih sil na mejnih površinah znatno izboljša procese prenosa snovi. Na ultrazvočnih elektrodah (sonoelektrodah) ultrazvočno nihanje in kavitacija neprekinjeno odstranjujeta reakcijske produkte s površine elektrode. Z odstranjevanjem vseh pasivacijskih nanosov je površina elektrode ves čas na voljo za sintezo novih delcev.
Kavitacija, ki jo ustvarja ultrazvok, spodbuja nastanek gladkih in enakomernih nanodelcev, ki so homogeno porazdeljeni v tekoči fazi.

Sonoelektrokemijsko nanašanje nanodelcev

Ko na tekoči elektrolit deluje ultrazvočno polje, različni pojavi ultrazvočne kavitacije, kot so akustično strujanje in nastajanje mik curkov, udarni valovi, izboljšan prenos snovi od elektrode in do nje ter čiščenje površine (odstranjevanje pasivacijskih plasti), spodbujajo procese elektrodepozicije / galvaniziranja. Ugodni učinki sonikacije na elektrodepozicijo / galvaniziranje so bili že dokazani za številne nanodelce, vključno s kovinskimi nanodelci, polprevodniškimi nanodelci, nanodelci z jedrom in lupino ter dopiranimi nanodelci.
Sonokemijsko elektrodeponirani kovinski nanodelci, kot so Cr, Cu in Fe, kažejo znatno povečanje trdote, medtem ko Zn kaže povečano korozijsko odpornost.
Mastai et al. (1999) so s sonoelektrokemijskim nanašanjem sintetizirali nanodelce CdSe. Prilagoditve različnih parametrov elektrodepozicije in ultrazvoka omogočajo spreminjanje velikosti kristalov nanodelcev CdSe od rentgensko amorfnega stanja do 9 nm (sfaleritna faza).

Ashassi-Sorkhabi in Bagheri (2014) sta dokazala prednosti sonoelektrokemijske sinteze polipirola (PPy) na jeklu St-12 v mediju z oksalno kislino z uporabo galvanostatske tehnike pri gostoti toka 4 mA/cm2. Neposredna uporaba nizkofrekvenčnega ultrazvoka z ultrazvočno napravo UP400S je privedla do bolj kompaktnih in bolj homogenih površinskih struktur polipirola. Rezultati so pokazali, da so bili upornost prevleke (Rcoat), korozijska upornost (Rcorr) in Warburgova upornost ultrazvočno pripravljenih vzorcev višje kot pri polipirolu, sintetiziranem brez ultrazvoka. Posnetki vrstične elektronske mikroskopije so prikazali pozitivne učinke ultrazvočne obdelave med elektrodepozicijo na morfologijo delcev: rezultati razkrivajo, da sonoelektrokemijska sinteza daje močno oprijete in gladke prevleke polipirola. Primerjava rezultatov sonoelektrodepozicije s konvencionalno elektrodepozicijo jasno kaže, da imajo prevleke, pripravljene s sonоelektrokemijsko metodo, višjo korozijsko odpornost. Sonikacija elektrokemijske celice izboljša prenos snovi in aktivira površino delovne elektrode. Ti učinki znatno prispevajo k zelo učinkoviti in visokokakovostni sintezi polipirola.

SEM-posnetki prevlek (a) PPy in (b) sonoelektrokemijsko nanesenega polipirola (PPy-US) na jeklu St-12 (povečava 7500×)
(študija in slike: © Ashassi-Sorkhabi in Bagheri, 2014)

Sonoelektrokemijsko nanašanje nanokompozitov

Kombinacija ultrazvočne obdelave z elektrodepozicijo je učinkovita in omogoča preprosto sintezo nanokompozitov.
Kharitonov et al. (2021) so s sonokemijsko elektrodepozicijo iz kopeli z oksalno kislino, ki je dodatno vsebovala 4 g/dm3 TiO2, ob mehanskem in ultrazvočnem mešanju sintetizirali nanokompozitne prevleke Cu–Sn–TiO2. Ultrazvočna obdelava je bila izvedena z ultrazvočno napravo Hielscher UP200Ht pri frekvenci 26 kHz in moči 32 W/dm3. Rezultati so pokazali, da ultrazvočno mešanje zmanjša aglomeracijo delcev TiO2 in omogoča nanašanje gostih nanokompozitov Cu–Sn–TiO2. V primerjavi s konvencionalnim mehanskim mešanjem so za prevleke Cu–Sn–TiO2, nanesene med sonikacijo, značilne večja homogenost in bolj gladke površine. V soniciranih nanokompozitih je bila večina delcev TiO2 vgrajena v matrico Cu–Sn. Uvedba ultrazvočnega mešanja izboljša porazdelitev nanodelcev TiO2 po površini in zavira agregacijo.
Dokazano je, da nanokompozitne prevleke Cu–Sn–TiO2, izdelane z ultrazvočno podprto elektrodepozicijo, izkazujejo odlične protimikrobne lastnosti proti bakterijam E. coli.

SEM-posnetki sonoelektrokemijsko nanesenih prevlek Cu–Sn–TiO2 pri katodni gostoti toka 0,5 A/dm2 in 1,0 A/dm2.
(študija in slike: © Kharitonov et al., 2021)

Visokozmogljiva sonoelektrokemijska oprema

Hielscher Ultrasonics dobavlja visokozmogljivo ultrazvočno opremo za zanesljivo in učinkovito sonoelektrodepozicijo / sonoelektrogalvaniziranje nanomaterialov. Ponudba izdelkov vključuje ultrazvočne sisteme visoke moči, sonoelektrode, reaktorje in celice za vašo uporabo sonoelektrokemijskega nanašanja.