Sonoelektrokimyasal Biriktirme

Sonoelektrokimyasal biriktirme, nanomalzemelerin yüksek verimlilikle ve çevre dostu biçimde üretilmesi için sonokimya ile elektrokimyayı birleştiren bir sentez tekniğidir. Hızlı, basit ve etkili olmasıyla bilinen sonoelektrokimyasal biriktirme, nanopartiküllerin ve nanokompozitlerin şekilleri kontrol edilerek sentezlenmesine olanak tanır.

Nanopartiküllerin Sonoelektrobiriktirilmesi

Nanopartikül sentezlemek amacıyla gerçekleştirilen sonoelektrobiriktirmede (sonoelektrokimyasal biriktirme, sonokimyasal elektrokaplama veya sonokimyasal elektrobiriktirme olarak da adlandırılır), bir veya iki ultrasonik prob (sonotrot veya horn) elektrot olarak kullanılır. Sonoelektrokimyasal biriktirme yöntemi son derece verimlidir ve uygulanması basit ve güvenlidir; bu da nanopartiküllerin ve nanoyapıların büyük miktarlarda sentezlenmesine olanak tanır. Ayrıca sonoelektrokimyasal biriktirme, yoğunlaştırılmış bir prosestir; yani sonikasyon, elektroliz prosesini hızlandırarak reaksiyonun daha etkili koşullarda yürütülmesini sağlar.
Süspansiyonlara yüksek güçlü ultrason uygulanması, makroskopik akış ve mikroskopik arayüzey kavitasyon kuvvetleri nedeniyle kütle aktarımı süreçlerini önemli ölçüde artırır. Ultrasonik elektrotlarda (sonoelektrotlarda), ultrasonik titreşim ve kavitasyon, reaksiyon ürünlerini elektrot yüzeyinden sürekli olarak uzaklaştırır. Pasifleştirici birikintilerin uzaklaştırılması sayesinde elektrot yüzeyi, yeni partikül sentezi için sürekli olarak kullanılabilir durumda kalır.
Ultrasonun oluşturduğu kavitasyon, sıvı fazda homojen olarak dağılan, pürüzsüz ve tekdüze nanopartiküllerin oluşumunu destekler.

Nanopartiküllerin Sonoelektrokimyasal Biriktirilmesi

Sıvı bir elektrolite ultrasonik alan uygulandığında, akustik akış ve mikrojet oluşumu, şok dalgaları, elektroda ve elektrottan kütle aktarımının artması ve yüzey temizliği (pasifleştirici tabakaların uzaklaştırılması) gibi çeşitli ultrasonik kavitasyon olguları, elektrobiriktirme / elektrokaplama süreçlerini destekler. Sonikasyonun elektrobiriktirme / elektrokaplama üzerindeki yararlı etkileri, metalik nanopartiküller, yarı iletken nanopartiküller, çekirdek-kabuk nanopartiküller ve katkılanmış nanopartiküller dahil olmak üzere çok sayıda nanopartikül için hâlihazırda gösterilmiştir.
Sonokimyasal olarak elektrobiriktirilen Cr, Cu ve Fe gibi metalik nanopartiküller sertlikte önemli bir artış gösterirken, Zn daha yüksek korozyon direnci gösterir.
Mastai et al. (1999), sonoelektrokimyasal biriktirme yoluyla CdSe nanopartikülleri sentezlemiştir. Çeşitli elektrobiriktirme ve ultrason parametrelerinin ayarlanması, CdSe nanopartiküllerinin kristal boyutunun X ışınları açısından amorf durumdan 9 nm’ye kadar (sfalerit fazı) değiştirilmesine olanak tanır.

Ashassi-Sorkhabi ve Bagheri (2014), 4 mA/cm2 akım yoğunluğunda galvanostatik bir teknik kullanarak oksalik asit ortamında St-12 çeliği üzerinde polipirolün (PPy) sonoelektrokimyasal sentezinin avantajlarını göstermiştir. UP400S sonikatörü kullanılarak düşük frekanslı ultrasonun doğrudan uygulanması, polipirolün daha kompakt ve daha homojen yüzey yapıları oluşturmasını sağlamıştır. Sonuçlar, ultrasonik olarak hazırlanan numunelerin kaplama direncinin (Rcoat), korozyon direncinin (Rcorr) ve Warburg direncinin, ultrason uygulanmadan sentezlenen polipirolünkinden daha yüksek olduğunu göstermiştir. Taramalı elektron mikroskobu görüntüleri, elektrobiriktirme sırasında ultrason uygulamasının partikül morfolojisi üzerindeki olumlu etkilerini görselleştirmiştir: Sonuçlar, sonoelektrokimyasal sentezin güçlü biçimde yapışan ve pürüzsüz polipirol kaplamalar oluşturduğunu ortaya koymaktadır. Sonoelektrobiriktirme sonuçları geleneksel elektrobiriktirme ile karşılaştırıldığında, sonoelektrokimya yöntemiyle hazırlanan kaplamaların daha yüksek korozyon direncine sahip olduğu açıktır. Elektrokimyasal hücreye sonikasyon uygulanması, kütle aktarımının artmasını ve çalışma elektrodunun yüzeyinin etkinleşmesini sağlar. Bu etkiler, polipirolün yüksek verimlilikle ve yüksek kalitede sentezlenmesine önemli ölçüde katkıda bulunur.

St-12 çeliği üzerindeki (a) PPy ve (b) sonoelektrokimyasal olarak biriktirilmiş polipirol (PPy-US) kaplamaların SEM görüntüleri (7500× büyütme)
(çalışma ve görüntüler: © Ashassi-Sorkhabi ve Bagheri, 2014)

Nanokompozitlerin Sonoelektrokimyasal Biriktirilmesi

Ultrason uygulamasının elektrobiriktirme ile birleştirilmesi etkilidir ve nanokompozitlerin kolayca sentezlenmesine olanak tanır.
Kharitonov et al. (2021), mekanik ve ultrasonik karıştırma altında, ayrıca 4 g/dm3 TiO2 içeren bir oksalik asit banyosundan sonokimyasal elektrobiriktirme yoluyla nanokompozit Cu–Sn–TiO2 kaplamalar sentezlemiştir. Ultrason işlemi, Hielscher UP200Ht sonikatörü ile 26 kHz frekansta ve 32 W/dm3 güçte gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, ultrasonik karıştırmanın TiO2 partiküllerinin aglomerasyonunu azalttığını ve yoğun Cu–Sn–TiO2 nanokompozitlerin biriktirilmesine olanak tanıdığını göstermiştir. Geleneksel mekanik karıştırma ile karşılaştırıldığında, sonikasyon altında biriktirilen Cu–Sn–TiO2 kaplamalar daha yüksek homojenlik ve daha pürüzsüz bir yüzey ile karakterize edilir. Sonikasyon uygulanan nanokompozitlerde, TiO2 partiküllerinin çoğu Cu–Sn matrisine gömülmüştür. Ultrasonik karıştırmanın devreye alınması, TiO2 nanopartiküllerinin yüzey dağılımını iyileştirir ve agregasyonu engeller.
Ultrason destekli elektrobiriktirme ile oluşturulan nanokompozit Cu–Sn–TiO2 kaplamaların, E. coli bakterilerine karşı mükemmel antimikrobiyal özellikler sergilediği gösterilmiştir.

0,5 A/dm2 ve 1,0 A/dm2 katodik akım yoğunluklarında sonoelektrokimyasal olarak biriktirilmiş Cu–Sn–TiO2 kaplamaların SEM görüntüleri.
(çalışma ve görüntüler: © Kharitonov et al., 2021)

Yüksek Performanslı Sonoelektrokimyasal Ekipman

Hielscher Ultrasonics, nanomalzemelerin güvenilir ve verimli sonoelektrobiriktirilmesi / sonoelektrokaplanması için yüksek performanslı ultrasonik ekipman tedarik eder. Ürün yelpazesi, sonoelektrokimyasal biriktirme uygulamanız için yüksek güçlü ultrason sistemlerini, sonoelektrotları, reaktörleri ve hücreleri içerir.