Sonoelektrokemisk deponering

Sonoelektrokemisk deponering är en syntesteknik som kombinerar sonokemi och elektrokemi för högeffektiv och miljövänlig framställning av nanomaterial. Sonoelektrokemisk deponering är känd för att vara snabb, enkel och effektiv och möjliggör formkontrollerad syntes av nanopartiklar och nanokompositer.

Sonoelektrodeponering av nanopartiklar

Vid sonoelektrodeponering (även kallad sonoelektrokemisk deponering, sonokemisk elektroplätering eller sonokemisk elektrodeponering) för syntes av nanopartiklar används en eller två ultraljudssonder (sonotroder eller horn) som elektroder. Metoden för sonoelektrokemisk deponering är högeffektiv samt enkel och säker att använda, vilket möjliggör syntes av nanopartiklar och nanostrukturer i stora mängder. Sonoelektrokemisk deponering är dessutom en intensifierad process, vilket innebär att ultraljudsbehandlingen påskyndar elektrolysprocessen så att reaktionen kan genomföras under effektivare förhållanden.
När högeffektsultraljud appliceras på suspensioner ökar masstransportprocesserna avsevärt genom makroskopisk strömning och mikroskopiska kavitationskrafter vid gränsytor. På ultraljudselektroder (sonoelektroder) avlägsnar ultraljudsvibrationer och kavitation kontinuerligt reaktionsprodukterna från elektrodytan. Genom att alla passiverande avlagringar avlägsnas är elektrodytan kontinuerligt tillgänglig för syntes av nya partiklar.
Ultraljudsgenererad kavitation främjar bildandet av släta och likformiga nanopartiklar som är homogent fördelade i vätskefasen.

Sonoelektrokemisk deponering av nanopartiklar

När ett ultraljudsfält appliceras på en flytande elektrolyt främjar olika ultraljudsrelaterade kavitationsfenomen, såsom akustisk strömning och mikrostrålar, stötvågor, förbättrad masstransport från/till elektroden och ytrengöring (avlägsnande av passiverande skikt), processer för elektrodeponering / elektroplätering. Ultraljudsbehandlingens gynnsamma effekter på elektrodeponering / elektroplätering har redan påvisats för många nanopartiklar, däribland metalliska nanopartiklar, halvledarnanopartiklar, kärna–skal-nanopartiklar och dopade nanopartiklar.
Sonokemiskt elektrodeponerade metalliska nanopartiklar såsom Cr, Cu och Fe uppvisar en betydande ökning av hårdheten, medan Zn uppvisar ökad korrosionsbeständighet.
Mastai et al. (1999) syntetiserade CdSe-nanopartiklar genom sonoelektrokemisk deponering. Genom att justera olika parametrar för elektrodeponeringen och ultraljudet kan kristallstorleken hos CdSe-nanopartiklarna ändras från röntgenamorft till upp till 9 nm (sfaleritfas).

Ashassi-Sorkhabi och Bagheri (2014) visade fördelarna med sonoelektrokemisk syntes av polypyrrol (PPy) på St-12-stål i ett oxalsyramedium med en galvanostatisk teknik vid en strömtäthet på 4 mA/cm2. Direkt applicering av lågfrekvent ultraljud med ultraljudsapparaten UP400S ledde till kompaktare och mer homogena ytstrukturer hos polypyrrol. Resultaten visade att beläggningsresistansen (Rcoat), korrosionsresistansen (Rcorr) och Warburgresistansen hos ultraljudsframställda prover var högre än hos polypyrrol som syntetiserats utan ultraljud. Bilder från svepelektronmikroskopi åskådliggjorde ultraljudsbehandlingens positiva effekter på partikelmorfologin under elektrodeponeringen: Resultaten visar att den sonoelektrokemiska syntesen ger starkt vidhäftande och släta polypyrrolbeläggningar. Vid jämförelse av resultaten från sonoelektrodeponering med konventionell elektrodeponering framgår det tydligt att beläggningar som framställts med den sonoelektrokemiska metoden har högre korrosionsbeständighet. Ultraljudsbehandling av den elektrokemiska cellen resulterar i förbättrad masstransport och aktivering av arbetselektrodens yta. Dessa effekter bidrar avsevärt till en högeffektiv syntes av polypyrrol med hög kvalitet.

SEM-bilder av beläggningar av (a) PPy och (b) sonoelektrokemiskt deponerad polypyrrol (PPy-US) på St-12-stål (7500× förstoring)
(studie och bilder: © Ashassi-Sorkhabi och Bagheri, 2014)

Sonoelektrokemisk deponering av nanokompositer

Kombinationen av ultraljudsbehandling och elektrodeponering är effektiv och möjliggör enkel syntes av nanokompositer.
Kharitonov et al. (2021) syntetiserade nanokompositbeläggningar av Cu–Sn–TiO2 genom sonokemisk elektrodeponering från ett oxalsyrabad som dessutom innehöll 4 g/dm3 TiO2, under mekanisk omrörning och ultraljudsomrörning. Ultraljudsbehandlingen utfördes med Hielschers ultraljudsapparat UP200Ht vid frekvensen 26 kHz och effekten 32 W/dm3. Resultaten visade att ultraljudsomrörning minskar agglomereringen av TiO2-partiklar och möjliggör deponering av täta Cu–Sn–TiO2-nanokompositer. Jämfört med konventionell mekanisk omrörning kännetecknas Cu–Sn–TiO2-beläggningar som deponerats under ultraljudsbehandling av högre homogenitet och en slätare yta. I de ultraljudsbehandlade nanokompositerna var merparten av TiO2-partiklarna inbäddade i Cu–Sn-matrisen. Införandet av ultraljudsomrörning förbättrar TiO2-nanopartiklarnas fördelning på ytan och motverkar aggregering.
Det visas att nanokompositbeläggningar av Cu–Sn–TiO2 som bildats genom ultraljudsassisterad elektrodeponering uppvisar utmärkta antimikrobiella egenskaper mot E. coli-bakterier.

SEM-bilder av sonoelektrokemiskt deponerade Cu–Sn–TiO2-beläggningar vid katodiska strömtätheter på 0,5 A/dm2 och 1,0 A/dm2.
(studie och bilder: © Kharitonov et al., 2021)

Högpresterande sonoelektrokemisk utrustning

Hielscher Ultrasonics levererar högpresterande ultraljudsutrustning för tillförlitlig och effektiv sonoelektrodeponering / sonoelektroplätering av nanomaterial. Produktsortimentet omfattar ultraljudssystem med hög effekt, sonoelektroder, reaktorer och celler för din tillämpning inom sonoelektrokemisk deponering.