Um

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 16537 (2022) Citar este artigo

591 acessos

1 Altmétrica

Detalhes das métricas

Este é um breve relato sobre a fabricação de tapetes metálicos multielementos concêntricos por meio de um procedimento de eletroengenharia bipolar rotacional de um pote. Um pedaço suspenso de espuma de níquel como um eletrodo bipolar (BPE) é girado em uma solução aquosa contendo uma mistura ternária de íons metálicos quando um potencial CC suficiente é aplicado aos eletrodos de acionamento. As ferramentas personalizáveis ​​desta arte são gradiente potencial, rotação e concentração/polarizações cinéticas. A criação do gradiente radial de vários elementos é normalmente testada em uma galvanização de joias artísticas de um pote.

A eletrodeposição de um pote (galvanoplastia) é uma abordagem fácil para a deposição de espécies iônicas eletroativas dissolvidas, especificamente íons metálicos, em substratos condutores para a fabricação de vários tipos de revestimentos de materiais bidimensionais/tridimensionais1,2,3. Uma das limitações da galvanoplastia é a impossibilidade de criar gradientes de materiais (zonas de materiais isolados) perpendiculares ao campo aplicado, decorrente da uniformidade do potencial aplicado ao longo do eletrodo de trabalho na eletroquímica convencional.

A eletroquímica bipolar (BE) fornece um gradiente de potencial através dos eletrodos bipolares (BPE) imersos em eletrólitos sem conexão elétrica direta. A diferença de potencial interfacial aplicada impulsiona as reações redox nas extremidades (pólos) do BPE. As formas atualizadas dessa capacidade no eletrólito contendo íons metálicos eletroativos com um condutor flutuante estacionário serão úteis em galvanoplastia sem fio4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. Ao implementar um potencial DC suficiente para os eletrodos de acionamento, devido à criação de uma queda de potencial nos eletrodos de acionamento, é gerada uma diferença de potencial linearmente decrescente entre as extremidades do objeto suspenso que aciona reações redox opostas em ambos os lados do BPE15,16, 17,18.

A maior desvantagem nos estudos de galvanoplastia já bipolar19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31 é a impossibilidade da mudança intermitente da posição do cátodo/ânodo bipolar, portanto, a eletrodeposição ocorre apenas em um polo do BPE. Para este fim, uma mudança de polaridade espaço-temporal dos pólos ânodo/cátodo32,33,34 pode ser obtida através de uma fonte de alimentação CA para implementar um potencial alternado para os eletrodos de acionamento. Na última década, alguns trabalhos de pesquisa exploraram o movimento de controle de objetos condutores sem fio para permitir diferentes tipos de autopropulsão35,36,37,38,39. Uma abordagem mais exaustiva e personalizável que permite aplicar o potencial de gradiente interfacial a todos os 360° da margem do BPE é a rotação do BPE usando um controlador de motor e uma fonte de alimentação CC. Permite aplicar um gradiente de potencial uniforme, sucessivo e consistente ao longo do BPE. O compósito galvanizado preparado por este método fornece uma composição multielementar concêntrica das ligas metálicas isoladas40.

Neste trabalho, o ajuste do potencial do gradiente bipolar em função do potencial DC aplicado, da velocidade de rotação do BPE, da polarização cinética inerente dos íons metálicos (potenciais de redução padrão) e da polarização da concentração (concentração de precursores) geram um potencial de gradiente combinacional detectado pelo BPE girado, dotando uma liga isolada concêntrica entre o centro e as bordas dos BPEs. Exploramos essa metodologia em uma eletroengenharia artística de um pote de duas misturas ternárias típicas de Cu-Ni-Mn e Cu-Co-Mn em espuma de níquel (NF) como eletrodo bipolar.

Zonas metálicas concêntricas isoladas bidimensionais semelhantes a tapetes de Cu-Ni-Mn são tipicamente preparadas por meio de eletrodeposição bipolar DC rotacional. Um potencial DC constante (de 4 a 12 V) foi aplicado entre um par de eletrodos de aço inoxidável com uma distância de separação de ca. 2,5 cm, como o comprimento da célula bipolar. Um pedaço de NF (10 × 12 mm) como um BPE típico foi conectado ao eixo de um controlador de motor, imerso no meio da célula BP contendo uma solução particular de íons metálicos e girado a uma velocidade constante de 100 rpm (mais informações sobre a seção experimental estão no SI). A Figura S1 revela o local de fixação do BPE à ponta do rotador que permaneceu inalterado (o lado superior é designado na Fig. S1). Como os gradientes concêntricos formados em ambos os lados do BPE são simétricos, esse problema pode ser resolvido pela troca do local de fixação de um lado para o outro lado do BPE na metade do tempo de galvanoplastia. Considerando a existência de um gradiente de potencial da borda para o centro do BPE, selecionar concentrações variáveis ​​dos íons metálicos eletroativos com diferentes potenciais de redução padrão permite o controle das polarizações cinéticas e de concentração para controlar o gradiente concêntrico de desvanecimento fabricado através do BPE. Além disso, a polaridade muda através da rotação, permitindo a eletroengenharia de um pote do tapete metálico. Antes de mais nada, buscamos explorar o real papel dos polos anódico e catódico do BPE na galvanoplastia e eletrodissolução das camadas metálicas. Para tanto, uma simples eletrodeposição bipolar estática foi realizada para distinguir o papel do ânodo e do cátodo do BPE na formação de tapetes metálicos. O gradiente metálico linear foi formado apenas no lado catódico, conforme mostrado na Fig. S2. A possível dissolução anódica de camadas depositadas em camadas catódicas também foi estudada através da eletrodeposição estática (a 8 V) de íons metálicos separadamente em três espumas de níquel distintas (Fig. S3). Após a eletrodeposição catódica, a posição dos polos bipolares foi trocada através de rotação de 180° do BPE para considerar possível dissolução das camadas galvanizadas. Para a camada de Cu, após a rotação, a camada primária depositada na borda do BPE dissolveu-se no potencial anódico (ver Fig. S3). No caso do Ni, a dissolução foi menor, enquanto que para o Mn, a camada catódica depositada não se alterou, confirmando uma tendência de diminuição gradativa de Cu > Ni > > Mn. Esta tendência relativa é determinante ao longo da eletrodeposição rotacional de Cu, Ni e Mn.