Соноелектрохімічне осадження

Соноелектрохімічне осадження – це метод синтезу, який поєднує сонохімію та електрохімію, для високоефективного та екологічно чистого виробництва наноматеріалів. Відоме як швидке, просте та ефективне соноелектрохімічне осадження дозволяє здійснювати синтез наночастинок та нанокомпозитів з контролем форми.

Соноелектроосадження наночастинок

Для соноелектроосадження (також соноелектрохімічне осадження, сонохімічне електроосадження або сонохімічне електроосадження) з метою синтезу наночастинок в якості електродів використовують один або два ультразвукових зонда (сонотроди або ріжки). Метод соноелектрохімічного осадження відрізняється високою ефективністю, а також простотою і безпекою в експлуатації, що дозволяє синтезувати наночастинки і наноструктури у великих кількостях. Крім того, соноелектрохімічне осадження є інтенсифікованим процесом, що означає, що ультразвук прискорює процес електролізу, щоб реакцію можна було проводити в більш ефективних умовах.
Застосування силового ультразвуку до суспензій значно збільшує процеси масообміну за рахунок макроскопічних потоків і мікроскопічних міжфазних кавітаційних сил. На ультразвукових електродах (соноелектродах) ультразвукова вібрація і кавітація безперервно видаляє продукти реакції з поверхні електрода. Видаляючи будь-які пасивуючі відкладення, поверхня електрода стає безперервно доступною для синтезу нових частинок.
Кавітація, що генерується ультразвуком, сприяє утворенню гладких і однорідних наночастинок, які однорідно розподілені в рідкій фазі.

Соноелектрохімічне осадження наночастинок

Коли ультразвукове поле прикладається до рідкого електроліту, різноманітні явища ультразвукової кавітації, такі як акустичний потік і мікроструменевий, ударні хвилі, посилення масопереносу від/до електрода та поверхневе очищення (видалення пасивуючих шарів) сприяють процесам електроосадження / гальванічного покриття. Сприятливий вплив ультразвуку на електроосадження / гальванічне покриття вже було продемонстровано для численних наночастинок, включаючи металеві наночастинки, напівпровідникові наночастинки, наночастинки оболонки ядра та леговані наночастинки.
Сонохімічно електроосаджені метталічні наночастинки, такі як Cr, Cu і Fe, демонструють значне збільшення твердості, тоді як Zn демонструє підвищену корозійну стійкість.
Mastai et al. (1999) синтезували наночастинки CdSe шляхом соноелектрохімічного осадження. Регулювання різних електроосаджувальних і ультразвукових параметрів дозволяють модифікувати розмір кристалів наночастинок CdSe з рентгенівських аморфних до 9 нм (сфалеритова фаза).

Ашассі-Сорхабі та Багері (2014) продемонстрували переваги соноелектрохімічного синтезу поліпіролу (PPy) на сталі Ст-12 у середовищі щавлевої кислоти за допомогою гальваностатичної методики з щільністю струму 4 мА/см2. Пряме застосування низькочастотного ультразвуку за допомогою ультразвукового апарату UP400S призвело до отримання більш компактних і однорідних поверхневих структур поліпіролу. Результати показали, що стійкість до покриття (Rcoat), корозійна стійкість (Rcorr) та резистентність Варбурга у зразків, приготованих ультразвуком, були вищими, ніж у неультразвуково синтезованого поліпіролу. Зображення скануючої електронної мікроскопії візуалізують позитивний вплив ультразвуку під час електроосадження на морфологію частинок: результати показують, що соноелектрохімічний синтез дає міцно прилиплі та гладкі покриття поліпіролу. Порівнюючи результати соноелектроосадження зі звичайним електроосадженням, видно, що покриття, приготовлені методом соноелектрохімії, мають більш високу корозійну стійкість. Ультразвукове дослідження електрохімічної комірки призводить до посилення масообміну і до активації поверхні робочого електрода. Ці ефекти значною мірою сприяють високоефективному, високоякісному синтезу поліпіролу.

SEM зображень (a) покриттів PPy та (b) соноелектрохімічного наплавлення поліпіролу (PPy-US) на сталі St-12 (збільшення 7500×)
(етюд і малюнки: © Ашассі-Сорхабі і Багері, 2014)

Соноелектрохімічне осадження нанокомпозитів

Комбінація ультразвуку з електроосадженням є ефективною і дозволяє легко синтезувати нанокомпозити.
Харитонов та ін (2021) синтезували нанокомпозитні покриття Cu–Sn–TiO2 шляхом сонохімічного електроосадження з ванни щавлевої кислоти, які додатково містять 4 г/дм3 TiO2 при механічному та ультразвуковому перемішуванні. Лікування ультразвуком проводили ультразвуковим апаратом Hielscher UP200Ht на частоті 26 кГц і потужності 32 Вт/дм3. Результати показали, що ультразвукове перемішування зменшує агломерацію частинок TiO2 і дозволяє осаджувати щільні нанокомпозити Cu–Sn–TiO2. У порівнянні зі звичайним механічним перемішуванням, покриття Cu–Sn–TiO2, нанесені під ультразвуком, характеризуються більш високою однорідністю та більш гладкою поверхнею. У ультразвукових нанокомпозитах більшість частинок TiO2 були вбудовані в матрицю Cu–Sn. Впровадження ультразвукового перемішування покращує поверхневий розподіл наночастинок TiO2 і ускладнює агрегацію.
Показано, що нанокомпозитні покриття Cu–Sn–TiO2, утворені ультразвуковим електроосадженням, виявляють відмінні антимікробні властивості проти бактерій E. coli.

SEM зображень соноелектрохімічно осаджених покриттів Cu–Sn–TiO2 при густині катодного струму 0,5 А/дм2 та 1,0 А/дм2.
(дослідження та ілюстрації: © Харитонов та ін., 2021)

Високопродуктивне соноелектрохімічне обладнання

Hielscher Ultrasonics поставляє високопродуктивне ультразвукове обладнання для надійного та ефективного соноелектродепонування / соноелектропокриття наноматеріалів. Асортимент продукції включає потужні ультразвукові системи, соноелектроди, реактори та комірки для застосування соноелектрохімічного осадження.