การตกสะสมด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์

การตกสะสมด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์เป็นเทคนิคการสังเคราะห์ที่ผสานเคมีโซโนกับเคมีไฟฟ้า เพื่อผลิตวัสดุนาโนอย่างมีประสิทธิภาพสูงและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การตกสะสมด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์เป็นที่รู้จักในด้านความรวดเร็ว ความเรียบง่าย และประสิทธิผล และช่วยให้สังเคราะห์อนุภาคนาโนและวัสดุนาโนคอมโพสิตโดยควบคุมรูปร่างได้

การตกสะสมอนุภาคนาโนด้วยไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์

ในการตกสะสมด้วยไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ (หรือเรียกว่าการตกสะสมด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ การชุบด้วยไฟฟ้าโดยอาศัยเคมีโซโน หรือการตกสะสมด้วยไฟฟ้าโดยอาศัยเคมีโซโน) เพื่อสังเคราะห์อนุภาคนาโน จะใช้โพรบอัลตราโซนิก (โซโนโทรดหรือฮอร์น) หนึ่งหรือสองตัวเป็นขั้วไฟฟ้า วิธีการตกสะสมด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์มีประสิทธิภาพสูง รวมทั้งใช้งานง่ายและปลอดภัย จึงช่วยให้สังเคราะห์อนุภาคนาโนและโครงสร้างนาโนได้ในปริมาณมาก นอกจากนี้ การตกสะสมด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ยังเป็นกระบวนการที่ได้รับการเพิ่มความเข้มข้น กล่าวคือ การใช้อัลตราซาวนด์ช่วยเร่งกระบวนการอิเล็กโทรลิซิส ทำให้ดำเนินปฏิกิริยาได้ภายใต้สภาวะที่มีประสิทธิผลมากขึ้น
การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงกับสารแขวนลอยช่วยเพิ่มกระบวนการถ่ายเทมวลอย่างมีนัยสำคัญ เนื่องจากการไหลในระดับมหภาคและแรงจากคาวิเทชันที่รอยต่อระหว่างเฟสในระดับจุลภาค บนขั้วไฟฟ้าอัลตราโซนิก การสั่นด้วยอัลตราซาวนด์และคาวิเทชันจะกำจัดผลิตภัณฑ์จากปฏิกิริยาออกจากผิวขั้วไฟฟ้าอย่างต่อเนื่อง การกำจัดตะกอนที่ทำให้เกิดพาสซิเวชันช่วยให้ผิวขั้วไฟฟ้าพร้อมสำหรับการสังเคราะห์อนุภาคใหม่อย่างต่อเนื่อง
คาวิเทชันที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ส่งเสริมการก่อตัวของอนุภาคนาโนที่มีผิวเรียบและสม่ำเสมอ ซึ่งกระจายตัวอย่างเป็นเนื้อเดียวกันในเฟสของเหลว

การตกสะสมอนุภาคนาโนด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์

เมื่อใช้สนามอัลตราโซนิกกับอิเล็กโทรไลต์เหลว ปรากฏการณ์คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์หลากหลายชนิด เช่น การไหลจากคลื่นเสียงและการพุ่งของลำของเหลวขนาดจิ๋ว คลื่นกระแทก การเพิ่มการถ่ายเทมวลจากและไปยังขั้วไฟฟ้า และการทำความสะอาดพื้นผิว (การกำจัดชั้นพาสซิเวชัน) จะส่งเสริมกระบวนการตกสะสมด้วยไฟฟ้า / การชุบด้วยไฟฟ้า ผลดีของการใช้อัลตราซาวนด์ต่อการตกสะสมด้วยไฟฟ้า / การชุบด้วยไฟฟ้าได้รับการพิสูจน์แล้วสำหรับอนุภาคนาโนหลายชนิด รวมถึงอนุภาคนาโนโลหะ อนุภาคนาโนสารกึ่งตัวนำ อนุภาคนาโนแบบแกน–เปลือก และอนุภาคนาโนที่ผ่านการโดป
อนุภาคนาโนโลหะที่ตกสะสมด้วยไฟฟ้าโดยอาศัยเคมีโซโน เช่น Cr, Cu และ Fe มีความแข็งเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ ขณะที่ Zn มีความต้านทานการกัดกร่อนเพิ่มขึ้น
Mastai et al. (1999) สังเคราะห์อนุภาคนาโน CdSe ด้วยการตกสะสมด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ การปรับพารามิเตอร์ต่าง ๆ ของการตกสะสมด้วยไฟฟ้าและอัลตราซาวนด์ช่วยให้ปรับขนาดผลึกของอนุภาคนาโน CdSe ได้ตั้งแต่สภาวะอสัณฐานตามการตรวจด้วยรังสีเอกซ์ไปจนถึง 9 nm (เฟสสฟาเลอไรต์)

Ashassi-Sorkhabi และ Bagheri (2014) แสดงให้เห็นข้อดีของการสังเคราะห์พอลิไพร์โรล (PPy) ด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์บนเหล็กกล้า St-12 ในตัวกลางกรดออกซาลิก โดยใช้เทคนิคควบคุมกระแสคงที่ที่ความหนาแน่นกระแส 4 mA/cm2 การใช้คลื่นอัลตราซาวนด์ความถี่ต่ำโดยตรงด้วยเครื่องอัลตราโซนิก UP400S ทำให้โครงสร้างพื้นผิวของพอลิไพร์โรลแน่นขึ้นและสม่ำเสมอมากขึ้น ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าความต้านทานของสารเคลือบ (Rcoat) ความต้านทานการกัดกร่อน (Rcorr) และความต้านทานวาร์เบิร์กของตัวอย่างที่เตรียมด้วยอัลตราซาวนด์สูงกว่าของพอลิไพร์โรลที่สังเคราะห์โดยไม่ใช้อัลตราซาวนด์ ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแสดงให้เห็นผลดีของการใช้อัลตราซาวนด์ระหว่างการตกสะสมด้วยไฟฟ้าต่อสัณฐานวิทยาของอนุภาค โดยผลการทดลองเผยให้เห็นว่าการสังเคราะห์ด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ให้สารเคลือบพอลิไพร์โรลที่ยึดเกาะแน่นและมีผิวเรียบ เมื่อเปรียบเทียบผลของการตกสะสมด้วยไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์กับการตกสะสมด้วยไฟฟ้าแบบทั่วไป จะเห็นได้ชัดว่าสารเคลือบที่เตรียมด้วยวิธีเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์มีความต้านทานการกัดกร่อนสูงกว่า การใช้อัลตราซาวนด์กับเซลล์เคมีไฟฟ้าทำให้การถ่ายเทมวลเพิ่มขึ้นและกระตุ้นผิวของขั้วไฟฟ้าทำงาน ผลเหล่านี้มีส่วนสำคัญต่อการสังเคราะห์พอลิไพร์โรลที่มีประสิทธิภาพสูงและคุณภาพสูง

ภาพ SEM ของสารเคลือบ (a) PPy และ (b) พอลิไพร์โรลที่ตกสะสมด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ (PPy-US) บนเหล็กกล้า St-12 (กำลังขยาย 7500×)
(งานวิจัยและภาพ: © Ashassi-Sorkhabi และ Bagheri, 2014)

การตกสะสมวัสดุนาโนคอมโพสิตด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์

การผสานการใช้อัลตราซาวนด์กับการตกสะสมด้วยไฟฟ้ามีประสิทธิผลและช่วยให้สังเคราะห์วัสดุนาโนคอมโพสิตได้อย่างง่ายดาย
Kharitonov et al. (2021) สังเคราะห์สารเคลือบนาโนคอมโพสิต Cu–Sn–TiO2 ด้วยการตกสะสมด้วยไฟฟ้าโดยอาศัยเคมีโซโนจากอ่างสารละลายกรดออกซาลิกที่มี TiO2 เพิ่มเติมในปริมาณ 4 g/dm3 ภายใต้การกวนเชิงกลและการกวนด้วยอัลตราซาวนด์ การบำบัดด้วยอัลตราซาวนด์ดำเนินการด้วยเครื่องอัลตราโซนิก Hielscher UP200Ht ที่ความถี่ 26 kHz และกำลัง 32 W/dm3 ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าการกวนด้วยอัลตราซาวนด์ลดการจับกลุ่มของอนุภาค TiO2 และช่วยให้ตกสะสมวัสดุนาโนคอมโพสิต Cu–Sn–TiO2 ที่มีเนื้อแน่นได้ เมื่อเปรียบเทียบกับการกวนเชิงกลแบบทั่วไป สารเคลือบ Cu–Sn–TiO2 ที่ตกสะสมภายใต้การใช้อัลตราซาวนด์มีความสม่ำเสมอสูงกว่าและพื้นผิวเรียบกว่า ในวัสดุนาโนคอมโพสิตที่ผ่านการใช้อัลตราซาวนด์ อนุภาค TiO2 ส่วนใหญ่ฝังตัวอยู่ในเมทริกซ์ Cu–Sn การนำการกวนด้วยอัลตราซาวนด์มาใช้ช่วยให้อนุภาคนาโน TiO2 กระจายตัวบนพื้นผิวได้ดีขึ้นและยับยั้งการรวมตัวของอนุภาค
มีการแสดงให้เห็นว่าสารเคลือบนาโนคอมโพสิต Cu–Sn–TiO2 ที่เกิดจากการตกสะสมด้วยไฟฟ้าโดยมีอัลตราซาวนด์ช่วยมีคุณสมบัติต้านจุลชีพที่ดีเยี่ยมต่อแบคทีเรีย E. coli

ภาพ SEM ของสารเคลือบ Cu–Sn–TiO2 ที่ตกสะสมด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ที่ความหนาแน่นกระแสแคโทด 0.5 A/dm2 และ 1.0 A/dm2
(งานวิจัยและภาพ: © Kharitonov et al., 2021)

อุปกรณ์เคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูง

Hielscher Ultrasonics จัดหาอุปกรณ์อัลตราโซนิกสมรรถนะสูงสำหรับการตกสะสมด้วยไฟฟ้า / การชุบด้วยไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ของวัสดุนาโนอย่างเชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ กลุ่มผลิตภัณฑ์ประกอบด้วยระบบอัลตราซาวนด์กำลังสูง ขั้วไฟฟ้าอัลตราโซนิก เครื่องปฏิกรณ์ และเซลล์สำหรับงานตกสะสมด้วยเคมีไฟฟ้าร่วมกับอัลตราซาวนด์ของคุณ