Активация молекул, ионов, и твердые частицы с акустической кавитации
Summary
Акустическая кавитация в жидкостях, представленных ультразвука питания создает переходные экстремальные условия внутри схлопывающихся пузырьках, которые происхождение необычного химической активности и светового излучения, известный как звуколюминисценции. В присутствии инертных газов, неравновесная плазма образуется. В "горячие" частицы и фотоны, генерируемые рушится пузыри могут возбудить видов в растворе.
Abstract
Химические и физические эффекты ультразвука возникают не от прямого взаимодействия молекул со звуковыми волнами, а с акустической кавитации: зарождение, рост и имплозийный крах микропузырьков в жидкостях, представленных ультразвука питания. Насильственное взрыв пузырьков приводит к образованию химически активных форм и к излучению света, названный звуколюминисценции. В этой рукописи, мы опишем методики, позволяющие изучать экстремальных intrabubble условий и химической активности акустической кавитации в растворах. Анализ звуколюминесценции спектров воды продувают благородных газов свидетельствует для формирования неравновесной плазмы. Фотоны и "горячие" частицы, порожденные кавитационных пузырьков позволяют возбуждать энергонезависимой видов в растворах увеличивая их химическую реакционную способность. Например механизм Ultrabright звуколюминисценции ионов уранила в кислых растворах изменяется с концентрацией урана: Сонофотолюминесценцию доминирует в разбавленных растворах, и столкновительная возбуждения способствует при более высокой концентрации урана. Вторичные сонохимические продукты могут возникать из химически активных частиц, которые образуются внутри пузырька, но затем диффундируют в жидкой фазе и вступает в реакцию с предшественников растворе с образованием различных продуктов. Например, сонохимический уменьшение Pt (IV) в чистой воде обеспечивает инновационный синтетический способ монодисперсных наночастиц металлической платины без каких-либо шаблонов или укупорки агентов. Многие исследования показывают преимущества ультразвука, чтобы активировать измельченных твердых веществ. В общем, механические эффекты ультразвука сильно способствовать в гетерогенных системах в дополнение к химическим воздействиям. В частности, сонолизе PuO 2 порошка в чистой воды дает стабильные коллоиды плутоний за счет обеих эффектов.
Introduction
Использование ультразвука питания в многочисленных промышленных и исследовательских областях, таких как очистки твердых поверхностей, дегазации жидкостей, материаловедения, экологической реабилитации и медицины, получил много внимания в последнее десятилетие 1. Ультразвуковая обработка увеличивает конверсию, улучшает выход и инициирует реакции в гомогенных растворов, а также в гетерогенных системах. Принято считать, что физические и химические эффекты ультразвуковых колебаний в жидкостях возникают из акустической кавитации или, другими словами, к имплозийного распада микропузырьков в жидкостях, облученных мощности ультразвука 2. Насильственные Распад кавитационного пузырька генерирует переходные экстремальные условия в газовой фазе пузыря, которые отвечают за формирование химически активных видов и СЛ. Тем не менее, дебаты все еще продолжается в течение происхождения таких экстремальных условиях. Спектроскопические анах годов звуколюминисценции помогает лучше понять процессы, происходящие в период распада пузыря. В воде, насыщенной благородных газов, спектры сонолюминесценция состоят из ОН (2 Σ +-X 2 Π I), Огайо (C 2 S +-2 S +) группы и широкий континуум от УФ до ближней ИК части спектров излучения 3. Спектроскопического анализа ОН (2 Σ +-X 2 Π я) полосы излучения показал, формирование неравновесной плазмы при сонолизе воды 4, 5. При низкой частоте ультразвука, слабо рады плазма с Брау колебательного распределения формируется. В противоположность этому, в высокочастотной ультразвука, плазма внутри рушится пузыри экспонатов Тринора поведение, типичное для сильного колебательного возбуждения. Вибронные температуры (Т у, Т е) увеличить с ультразвуковой частотой, указывающий более радикальные intrabubble условия на высокойчастота ультразвука.
В принципе, каждый кавитационный пузырек можно рассматривать как микрореактор плазмохимического обеспечивая высокую энергетические процессы в почти комнатной температуре объеме раствора. Фотоны и «горячие» частицы, полученные внутри пузыря позволяют возбуждать энергонезависимой видов в растворах тем самым увеличивая их химическую реакционную способность. Например, механизм Ultrabright звуколюминисценции ионов уранила в кислых растворах зависит от концентрации урана: поглощение фотонов / повторное излучение в разбавленных растворах, и возбуждение через столкновения с "горячих" частиц способствует при более высокой концентрации уранила 6. Химических веществ, производимые кавитационных пузырьков может быть использован для синтеза металлических наночастиц без каких-либо шаблонов или укупорки агентов. В чистой воды барботируют аргон, сонохимический уменьшение Pt (IV) происходит путем водорода, поступающего из сонохимического молекул воды расщепления получа монодисперсных nanoparticле из металлической платины 7. Сонохимического снижение ускоряется коллектор в присутствии муравьиной кислоты или Ar / газовой смеси CO.
Многие предыдущие исследования показали преимущества ультразвука, чтобы активировать поверхность измельченных твердых веществ из-за механических эффектов в дополнение к химической активации 8,9. Небольшие твердые частицы, которые по размеру намного меньше, чем кавитационных пузырьков не возмущать симметрию краха. Однако, когда событие кавитации происходит вблизи крупных агрегатов или вблизи поверхности расширенной пузырь взрывается асимметрично, формировани сверхзвуковой MicroJet, ведущий к кластерной дезагрегирования и к твердой поверхностной эрозии. Ультразвуковая обработка двуокиси плутония в чистой воде продувке аргоном вызывает образование устойчивых наноколлоидах плутония (IV) в связи с физическим и химическим воздействиям 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
Наиболее критичными параметрами для успешного наблюдения звуколюминисценции и сонохимии являются: 1) строгий контроль насыщающего газа и температура массы при обработке ультразвуком, 2) тщательный отбор ультразвуковой частоты, 3) с использованием оптимального состава ультразвуком ра…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы выразить признательность французскому ANR (грант ANR-10-BLAN-0810 NEQSON) и СЕА / DEN / Маркуле.
Materials
| 20 kHz Ultrasound Generator | Sonics Vibracell | ||
| Multifrequency Generator AG 1006 | T&C Power Conversion | ||
| Cryostat RE210 | Lauda | ||
| Spectrometer SP 2356i | Roper Scientific | ||
| CCD camera SPEC10-100BR cooled with liquid nitrogen | Roper Scientific | ||
| Quadrupole mass-spectrometer PROLAB 300 | Thermoscientific | ||
| Centrifuge Sigma 1-14 | Sigma-Aldrich | ||
| H2PtCl6 6H2O | Sigma-Aldrich | ||
| Ar; Ar/CO gases | Air Liquid | ||
| Uranium and Plutonium compounds | Prepared in the laboratories of Marcoule Research Center | ||
| Perchloric acid | Sigma-Aldrich | ||
| Phosphoric acid | Sigma-Aldrich | ||
| Formic acid | Sigma-Aldrich |
References
- Mason, T. J., Lorimer, J. P. Applied Sonochemistry. The Uses of Power Ultrasound in Chemistry and Processing. Wiley-VCH Verlag GmbH. , (2002).
- Suslick, K. S. . Ultrasound: Its Chemical, Physical, and Biological Effects. , (1988).
- Pflieger, R., Brau, H. -. P., Nikitenko, S. I. Sonoluminescence from OH(C2Σ+) and OH(A2Σ+) Radicals in Water: Evidence for Plasma Formation during Multibubble Cavitation. Chem. Eur. J. 16, 11801-11803 (2010).
- Ndiaye, A. A., Pflieger, R., Siboulet, B., Molina, J., Dufreche, J. -. F., Nikitenko, S. I. Nonequilibrium Vibrational Excitation of OH Radicals Generated during Multibubble Cavitation in Water. J. Phys. Chem. A. 116, 4860-4867 (2012).
- Ndiaye, A. A., Pflieger, R., Siboulet, B., Nikitenko, S. I. The Origin of Isotope Effects in Sonoluminescence Spectra of Heavy and Light. Angew. Chem. Int. Ed. 52, 2478-2481 (2013).
- Pflieger, R., Cousin, V., Barré, N., Moisy, P., Nikitenko, S. I. Sonoluminescence of Uranyl Ions in Aqueous Solutions. Chem. Eur. J. 18, 410-414 (2012).
- Chave, T., Navarro, N. M., Nitsche, S., Nikitenko, S. I. Mechanism of Pt(IV) Sonochemical Reduction in Formic Acid Media and Pure Water. Chem. Eur. J. 18, 3879-3885 (2010).
- Thompson, L. H., Doraiswamy, L. K. Sonochemistry: science and engineering. Ind. Eng. Chem. Res. 38, 1215-1249 (2012).
- Nikitenko, S. I., Venault, L., Pflieger, R., Chave, T., Bisel, I., Moisy, P. Potential applications of sonochemistry in spent nuclear fuel reprocessing: a short review. Ultrason. Sonochem. 17, 1033-1040 (2010).
- Chave, T., Den Auwer, C., Moisy, P., Nikitenko, S. I. Sonochemical formation of Pu(IV) colloids. ATALANTE 2012 Nuclear chemistry for sustainable fuel cycles. , (2012).
- Baird, C. P., Kemp, T. J. Luminescence spectroscopy, lifetimes and quenching mechanisms of excited states of uranyl and other actinide ions. Prog. React. Kinet. 22 (2), 87-139 (1997).
- Marcantonatos, M. D. Photochemistry and exciplex of the uranyl ion in aqueous solution. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 76, 1093-1097 (1980).
- Burrows, H. D., Kemp, T. J. Photochemistry of uranyl ion. Chem. Soc. Rev. 3, 139-165 (1974).
- Kazakov, V. P., Sharipov, G. L., Sadykov, P. A. Specific quenching of the radioluminescence from UO22+ ions by the products of radiolysis in acidic solutions. High Energy Chemistry (Khimiya Vysokikh Energii. 16, 376-377 (1982).
- Katz, J. J., Seaborg, G. T., Morss, L. R. 2nd ed. The Chemistry of the Actinide Elements. , (1986).
- Rabinowitch, E., Belford, R. L. . Spectroscopy and Photochemistry of Uranyl Compounds. , (1964).
- Mizukoshi, Y., Takagi, E., Okuno, H., Oshima, R., Maeda, Y., Nagata, Y. Preparation of platinum nanoparticles by sonochemical reduction of the Pt(IV) ions: role of surfactants. Ultrason. Sonochem. 8, 1-6 (2001).
- Fischer, C. H., Hart, E. J., Henglein, A. Ultrasonic Irradiation of Water in the Presence of 18,18O2: Isotope Exchange and Isotopic Distribution of H2O2. J. Phys. Chem. 90, 1954-1956 (1986).
- Nikitenko, S. I., Martinez, P., Chave, T., Billy, I. Sonochemical Disproportionation of Carbon Monoxide in Water: Evidence for Treanor Effect during Multibubble Cavitation. Angew. Chem. Int. Ed. 48, 9529-9532 (2009).
- Surendran, G., et al. From self-assembly of platinum nanoparticles to nanostructured materials. Small. 1, 964-967 (2005).
- Chave, T., Grunenwald, A., Ayral, A., Lacroix-Desmazes, P., Nikitenko, S. I. Sonochemical deposition of platinum nanoparticles on polymer beads and their transfer on the pore surface of a silica matrix. J. Colloid Interface Sci. 395, 81-84 (2013).
- Virot, M., et al. Catalytic dissolution of ceria under mild conditions. J. Mater. Chem. 22, 14734-14740 (2012).
- Virot, M., Chave, T., Nikitenko, S. I., Shchukin, D. G., Zemb, T., Moehwald, H. Acoustic cavitation at the water-glass interface. J. Phys. Chem. C. 114, 13083-13091 (2010).
- Virot, M., Pflieger, R., Skorb, E. V., Ravaux, J., Zemb, T., Mohwald, H. Crystalline silicon under acoustic cavitation: from mechanoluminescence to amorphization. J. Phys. Chem. C. 116, 15493-15499 (2012).
- Walther, C., et al. New insights in the formation processes of Pu(IV) colloids. Radiochim. Acta. 97, 199-207 (2009).
- Young, F. R. . Sonoluminescence. , (2004).
- Pflieger, R., Schneider, J., Siboulet, B., Möhwald, H., Nikitenko, S. I. Luminescence of trivalent lanthanide ions excited by single-bubble and multibubble cavitations. J. Phys. Chem. B. 117, 2979-2984 (2013).
