Polveri metalliche di dimensioni nanometriche prodotte con metodo sonoelettrochimico a impulsi: ottimizzazione del processo e caratterizzazione dei prodotti

Il presente lavoro rientra nell’ambito del Sesto Programma Quadro finanziato dall’Unione Europea, denominato SELECTNANO-TTC “Development of Multifunctional Nanometallic Particles by Sonoelectrochemistry”, che si prefigge di sintetizzare particelle metalliche di dimensioni nanometriche da utilizzare in applicazioni avanzate, mediante una nuova tecnologia sonoelettrochimica. Il metodo in questione abbina un processo elettrochimico di deposizione di metalli con corrente pulsata, all’azione di ultrasuoni ad elevata potenza, con frequenza ultrasonora di 20 kHz. Nella tecnica sonoelettrochimica a impulsi una sonda emettitrice di ultrasuoni è al contempo anche elettrodo lavorante, e viene sottoposto a cicli di impulsi elettrochimici, che rendono possibile la riduzione dei cationi metallici in soluzione, immediatamente seguiti da impulsi di ultrasuoni, che consentono il distacco dei nuclei metallici dalla superficie del “sonotrodo”. Il prodotto finale è una sospensione di nanoparticelle immerse nell’elettrolita, che viene filtrata in vuoto, per separare le nanopolveri così ottenute dalla fase liquida. Il processo di sintesi è stato ottimizzato attraverso lo studio di parametri quali densità della corrente applicata, gestione dei tempi di ciclo e durata degli impulsi elettrochimici e di ultrasuoni, temperatura elettrolitica, pH, composizione del bagno di sintesi e impiego di stabilizzanti organici per limitare l’aggregazione delle nanoparticelle. Sono stati valutati come risultati significativi della bontà del metodo in questione l’efficienza globale di processo, in termini di massa di materiale prodotta in rapporto al rendimento faradico, la composizione chimica delle nanopolveri, la struttura cristallina, la dimensione della grana e la morfologia delle nanoparticelle. E’ stato indagato come i vari parametri di processo influenzano, con la loro variabilità, le proprietà chimico-fisiche finali delle nanoparticelle e per ogni sistema elettrochimico studiato, è stata individuata la combinazione ottimale di parametri per avere un buon controllo sulle caratteristiche del materiale prodotto. Oltre alla sintesi e alla caratterizzazione chimica, strutturale e morfologica delle nanopolveri, il lavoro presenta uno studio approfondito di tipo elettrochimico, riguardante le cinetiche di elettrodeposizione di alcuni metalli puri e leghe binarie, al variare delle condizioni di deposizione quali pH, temperatura, composizione elettrolitica e densità di corrente. Lo studio si è articolato attraverso prove di elettrodeposizione a corrente pulsata, prove galvanodinamiche e voltammetrie cicliche, al fine di individuare le condizioni ottimali da utilizzare nella sintesi sonoelettrochimica delle nanopolveri. E’ stato analizzato inoltre il meccanismo di nucleazione delle specie elettro-attive in esame, attraverso lo studio dei transienti cronoamperometrici a potenziale costante (curve i-t), determinando i coefficienti di diffusione dei cationi metallici in soluzione e la modalità di formazione e accrescimento dei nuclei. L’interpretazione dei transienti è stata eseguita facendo riferimento alla teoria di Scharifker-Hills per la nucleazione tridimensionale.