Attivazione molecole, ioni e particelle solide con Acoustic Cavitazione
Summary
Cavitazione acustica in liquidi presentate alla potenza degli ultrasuoni crea condizioni estreme transitorie all'interno delle bolle che collassano, che sono l'origine della reattività chimica e di emissione di luce insolita, noto come sonoluminescenza. In presenza di gas nobili, plasma non-equilibrio è formato. Le particelle "caldi" e fotoni generati dal collasso bolle sono in grado di eccitare specie in soluzione.
Abstract
Gli effetti fisici degli ultrasuoni chimiche e non nascono da una interazione diretta di molecole con le onde sonore, ma piuttosto dalla cavitazione acustica: la nucleazione, la crescita, e il collasso implosivo di microbolle nei liquidi sottoposti al potere ultrasuoni. La violenta implosione di bolle porta alla formazione di specie chimicamente reattive e per l'emissione di luce, chiamato sonoluminescenza. In questo manoscritto, si descrivono le tecniche che permettono studio delle condizioni intrabubble estreme e reattività chimica di cavitazione acustica in soluzioni. L'analisi della sonoluminescenza spettri di acqua strippata con gas nobili costituisce una prova per la formazione del plasma di non-equilibrio. I fotoni e le particelle "caldi" generati da bolle di cavitazione permettono di eccitare le specie non-volatili in soluzioni aumentando la loro reattività chimica. Ad esempio, il meccanismo di sonoluminescenza ultrabright di ioni uranile in soluzioni acide varia con la concentrazione di uranio: Sonophotoluminescence domina in soluzioni diluite, e di eccitazione collisionale contribuisce a concentrazioni di uranio superiori. Sonochemical prodotti secondari possono derivare da specie chimicamente attivi che si formano all'interno della bolla, ma poi diffondere nella fase liquida e reagire con precursori soluzione per formare una varietà di prodotti. Per esempio, la riduzione sonochemical di Pt (IV) in acqua pura fornisce un innovativo metodo di sintesi per le nanoparticelle monodisperse di platino metallico senza modelli o agenti tappatura. Molti studi rivelano i vantaggi degli ultrasuoni per attivare i solidi divisi. In generale, gli effetti meccanici di ultrasuoni contribuiscono fortemente in sistemi eterogenei in aggiunta agli effetti chimici. In particolare, la sonolysis di 2 puo polvere dei rendimenti acqua pura colloidi stabili di plutonio causa di entrambi gli effetti.
Introduction
L'uso del potere ultrasuoni in numerosi settori industriali e di ricerca, come ad esempio la pulizia delle superfici solide, degassamento dei liquidi, scienze dei materiali, il risanamento ambientale e la medicina, ha ricevuto molta attenzione negli ultimi dieci anni 1. Il trattamento ad ultrasuoni aumenta la conversione, migliora la resa, ed avvia le reazioni in soluzioni omogenee così come in sistemi eterogenei. E 'generalmente accettato che gli effetti fisici e chimici di vibrazioni ultrasoniche in liquidi derivano da cavitazione acustica o, in altre parole, al collasso implosivo di microbolle nei fluidi irradiati con ultrasuoni potenza 2. Implosione violenta della bolla di cavitazione genera condizioni estreme transitori in fase gassosa della bolla, che sono responsabili per la formazione di specie chimicamente attivi e sonoluminescenza. Tuttavia, il dibattito continua sopra l'origine di tali condizioni estreme. Spettroscopica analisi dells della sonoluminescenza aiuta a comprendere meglio i processi che si verificano durante il crollo della bolla. In acqua, satura di gas nobili, gli spettri sonoluminescenza sono composti da OH (A 2 Σ +-X 2 Π i), OH (C 2 S + A-2 S +), bande e un ampio continuum che va da UV a parte NIR degli spettri di emissione 3. Analisi spettroscopica di OH (A 2 Σ +-X 2 Π i) bande di emissione formazione rivelato di plasma non-equilibrio durante sonolysis di acqua 4, 5. A bassa frequenza ultrasonica, plasma debolmente eccitato con Brau distribuzione vibrazionale è formato. Per contro, a ultrasuoni ad alta frequenza, il plasma all'interno collasso delle bolle mostre Treanor comportamento tipico per forte eccitazione vibrazionale. Le temperature vibroniche (T v, T e) aumentano con frequenza ultrasonica che indica condizioni più drastiche intrabubble a high-ultrasuoni frequenza.
In linea di principio, ciascuna bolla di cavitazione può essere considerata come una sostanza chimica microreattore plasma fornire processi altamente energetici a quasi temperatura ambiente della soluzione bulk. I fotoni e le particelle "caldi" prodotte all'interno della bolla permettono di eccitare le specie non-volatili in soluzioni aumentando così la loro reattività chimica. Ad esempio, il meccanismo di sonoluminescenza ultrabright di ioni uranile in soluzione acida è influenzato dalla concentrazione di uranio: fotoni assorbimento / riemissione in soluzioni diluite, e eccitazione tramite collisioni con particelle "caldi" contribuisce alla concentrazione di uranile superiore 6. Specie chimiche prodotte da bolle di cavitazione possono essere utilizzati per la sintesi di nanoparticelle metalliche senza modelli o agenti tappatura. In acqua pura strippata con argon, la riduzione sonochemical di Pt (IV) avviene idrogeno rilasciato dal sonochemical molecole di acqua scissione cedendo nanopartic monodispersoles di platino metallizzato 7. Riduzione sonochemical è accelerato collettore in presenza di acido formico o / miscela di gas CO Ar.
Molti studi precedenti hanno mostrato i vantaggi di ultrasuoni per attivare la superficie dei solidi divisi a causa degli effetti meccanici in aggiunta ai attivazione chimica 8,9. Piccole particelle solide che sono molto meno grande rispetto a bolle di cavitazione non turbare la simmetria del collasso. Tuttavia, quando si verifica un evento di cavitazione vicino grandi aggregati zona estesa superficie della bolla implode asimmetricamente, formando un microjet supersonico porta alla disaggregazione cluster e all'erosione superficie solida. Trattamento ad ultrasuoni di biossido di plutonio in acqua pura strippata con argon provochi la formazione di nanocolloids stabili di plutonio (IV) per entrambi gli effetti fisici e chimici 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
I parametri più critici per l'osservazione successo sonoluminescence e sonochemistry sono: 1) controllo rigoroso del gas saturazione e la temperatura durante la sonicazione, 2) accurata selezione di frequenza ultrasonica, 3) utilizzando una composizione ottimale della soluzione sonicata per prevenire tempra.
La cinetica delle reazioni sonochemical nonché l'intensità della sonoluminescenza è molto sensibile alla temperatura della soluzione presentata ultrasuoni: in contrasto con l…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori desiderano ringraziare l'ANR francese (sovvenzione ANR-10-BLAN-0810 NEQSON) e CEA / DEN / Marcoule.
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 |
Riferimenti
- 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).
