Lắng đọng Sonoelectrochemical

Lắng đọng Sonoelectrochemical là kỹ thuật tổng hợp, kết hợp sonochemistry và điện hóa học, để sản xuất vật liệu nano hiệu quả cao và thân thiện với môi trường. Nổi tiếng là nhanh chóng, đơn giản và hiệu quả, lắng đọng sonoelectrochemical cho phép tổng hợp kiểm soát hình dạng của các hạt nano và nanocomposite.

Sono-điện cực lắng đọng của hạt nano

Đối với lắng đọng sonoelectrodeposition (cũng lắng đọng sonoeletrochemical, mạ điện sonochemical, hoặc điện cực sonochemical) với mục đích tổng hợp các hạt nano, một hoặc hai đầu dò siêu âm (sonotrodes hoặc sừng) được sử dụng làm điện cực. Phương pháp lắng đọng sonoelectrochemical có hiệu quả cao cũng như đơn giản và an toàn để vận hành, cho phép tổng hợp các hạt nano và cấu trúc nano với số lượng lớn. Ngoài ra, lắng đọng sonoelectrochemical là một quá trình tăng cường, có nghĩa là sonication tăng tốc quá trình điện phân để phản ứng có thể được chạy trong điều kiện hiệu quả hơn.
Áp dụng siêu âm điện cho huyền phù làm tăng đáng kể quá trình truyền khối lượng do luồng vĩ mô và lực xâm thực giao thoa vi mô. Trên các điện cực siêu âm (điện cực sono), rung động siêu âm và xâm thực liên tục loại bỏ các sản phẩm phản ứng khỏi bề mặt điện cực. Bằng cách loại bỏ bất kỳ sự lắng đọng thụ động nào, bề mặt điện cực liên tục có sẵn để tổng hợp hạt mới.
Siêu âm tạo ra cavitation thúc đẩy sự hình thành các hạt nano mịn và đồng nhất được phân phối đồng nhất trong pha lỏng.

Sự lắng đọng Sonoelectrochemical của các hạt nano

Khi một trường siêu âm được áp dụng cho một chất điện phân lỏng, hiện tượng xâm thực siêu âm đa dạng như dòng âm thanh và micro-jetting, sóng xung kích, tăng cường chuyển khối lượng từ / đến điện cực và làm sạch bề mặt (loại bỏ các lớp thụ động) thúc đẩy quá trình điện cực / mạ điện. Các tác dụng có lợi của sonication đối với sự lắng đọng điện cực / mạ điện đã được chứng minh cho nhiều hạt nano, bao gồm các hạt nano kim loại, hạt nano bán dẫn, hạt nano vỏ lõi và các hạt nano pha tạp.
Các hạt nano mettalic điện hóa học như Cr, Cu và Fe cho thấy sự gia tăng đáng kể về độ cứng, trong khi Zn cho thấy khả năng chống ăn mòn tăng lên.
Mastai et al. (1999) đã tổng hợp các hạt nano CdSe thông qua lắng đọng sonoelectrochemical. Điều chỉnh các thông số điện cực và siêu âm khác nhau cho phép sửa đổi kích thước tinh thể của các hạt nano CdSe từ vô định hình tia X lên đến 9nm (pha sphalerite).

Ashassi-Sorkhabi và Bagheri (2014) đã chứng minh những lợi thế của tổng hợp sono-điện hóa của polypyrrole (PPy) trên thép St-12 trong môi trường axit oxalic bằng kỹ thuật mạ điện với mật độ dòng điện 4 mA / cm2. Ứng dụng trực tiếp của siêu âm tần số thấp bằng cách sử dụng ultrasonicator UP400S dẫn đến cấu trúc bề mặt nhỏ gọn hơn và đồng nhất hơn của polypyrrole. Kết quả cho thấy khả năng chống sơn phủ (Rcoat), chống ăn mòn (Rcorr) và sức đề kháng Warburg của các mẫu được chuẩn bị siêu âm cao hơn so với polypyrrole tổng hợp không siêu âm. Hình ảnh của kính hiển vi điện tử quét hình dung các tác động tích cực của siêu âm trong quá trình lắng đọng điện cực trên hình thái hạt: Kết quả cho thấy tổng hợp sonoelectrochemical mang lại lớp phủ polypyrrole bám dính mạnh mẽ và mịn. So sánh kết quả lắng đọng sono-điện với lắng đọng điện cực thông thường, rõ ràng lớp phủ được điều chế bằng phương pháp sonoelectrochemistry có khả năng chống ăn mòn cao hơn. Sonication của tế bào điện hóa dẫn đến tăng cường truyền khối lượng và kích hoạt bề mặt của điện cực làm việc. Những hiệu ứng này góp phần đáng kể vào sự tổng hợp polypyrrole chất lượng cao, hiệu quả cao.

Hình ảnh SEM của (a) PPy và (b) lớp phủ polypyrrole lắng đọng sonoelectrochemial (PPy-US) trên thép St-12 (độ phóng đại 7500×)
(nghiên cứu và hình ảnh: © Ashassi-Sorkhabi và Bagheri, 2014)

Sự lắng đọng Sonoelectrochemical của vật liệu nanocomposite

Sự kết hợp của ultrasonication với điện cực là hiệu quả và cho phép tổng hợp dễ dàng của nanocomposite.
Kharitonov et al. (2021) đã tổng hợp lớp phủ nanocomposite Cu–Sn–TiO2 bằng cách lắng đọng điện cực sonochemical từ bể axit oxalic chứa thêm 4 g / dm3 TiO2 dưới sự khuấy trộn cơ học và siêu âm. Điều trị siêu âm được thực hiện với máy siêu âm Hielscher UP200Ht ở tần số 26 kHz và công suất 32 W / dm3. Kết quả đã chứng minh rằng kích động siêu âm làm giảm sự kết tụ của các hạt TiO2 và cho phép lắng đọng các vật liệu nanocomposite Cu-Sn-TiO2 dày đặc. Khi so sánh với khuấy trộn cơ học thông thường, lớp phủ Cu-Sn-TiO2 lắng đọng dưới sonication được đặc trưng bởi tính đồng nhất cao hơn và bề mặt mịn hơn. Trong các nanocomposite sonicated, phần lớn các hạt TiO2 được nhúng vào ma trận Cu-Sn. Sự ra đời của khuấy động siêu âm cải thiện sự phân bố bề mặt của các hạt nano TiO2 và cản trở sự kết tụ.
Nó được chỉ ra rằng lớp phủ nanocomposite Cu-Sn-TiO2 được hình thành bởi điện cực hỗ trợ siêu âm thể hiện tính chất kháng khuẩn tuyệt vời chống lại vi khuẩn E. coli.

Hình ảnh SEM của lớp phủ Cu-Sn-TiO2 lắng đọng điện hóa ở mật độ dòng điện catốt là 0,5 A / dm2 và 1,0 A / dm2.
(nghiên cứu và hình ảnh: © Kharitonov và cộng sự, 2021)

Thiết bị Sonoelectrochemical hiệu suất cao

Hielscher Ultrasonics cung cấp thiết bị siêu âm hiệu suất cao cho một sono-electrodeposition / sonoelectroplating đáng tin cậy và hiệu quả của vật liệu nano. Phạm vi sản phẩm bao gồm hệ thống siêu âm công suất cao, điện cực sono, lò phản ứng và tế bào cho ứng dụng lắng đọng sono-điện hóa của bạn.