تفعيل الجزيئات، والأيونات، والجسيمات الصلبة مع الصوتية التجويف
Summary
التجويف الصوتية في السوائل المقدمة إلى الموجات فوق الصوتية السلطة يخلق الظروف القاسية عابرة داخل الفقاعات المنهارة، والتي هي أصل غير عادية التفاعلات الكيميائية والخفيفة الانبعاثات، والمعروفة باسم الإشعاع الضوئي. في وجود الغازات النبيلة، ويتم تشكيل البلازما nonequilibrium. الجزيئات "الساخنة" والفوتونات الناتجة عن انهيار فقاعات قادرون على إثارة الأنواع في الحل.
Abstract
الآثار الجسدية الموجات فوق الصوتية الكيميائية وتنشأ ليس من التفاعل المباشر مع جزيئات الموجات الصوتية، ولكن بدلا من التجويف الصوتية: التنوي والنمو، وانهيار إندفاعية من microbubbles في السوائل المقدمة إلى الموجات فوق الصوتية السلطة. الانفجار الداخلي العنيف من الفقاعات يؤدي إلى تشكيل الأنواع المتفاعلة كيميائيا وإلى انبعاث الضوء، واسمه الإشعاع الضوئي. في هذا المخطوط، وصفنا التقنيات السماح دراسة الظروف intrabubble المدقع والتفاعل الكيميائي من التجويف الصوتية في الحلول. تحليل الإشعاع الضوئي أطياف المياه sparged مع الغازات النبيلة يقدم دليلا لتشكيل البلازما nonequilibrium. الفوتونات والجسيمات "الساخنة" التي تم إنشاؤها بواسطة فقاعات التجويف تمكين لإثارة الأنواع غير المستقرة في الحلول زيادة التفاعل الكيميائي. على سبيل المثال آلية الإشعاع الضوئي ultrabright من الأيونات في المحاليل الحمضية اليورانيل يختلف مع تركيز اليورانيوم: sonophotoluminescence يهيمن في حلول الواحد، ويسهم الإثارة الاصطدامية في أعلى تركيز اليورانيوم. قد تنشأ المنتجات sonochemical الثانوية من الأنواع النشطة كيميائيا التي تتشكل داخل فقاعة، ولكن بعد ذلك نشر في الطور السائل وتتفاعل مع السلائف حل لتشكيل مجموعة متنوعة من المنتجات. على سبيل المثال، والحد sonochemical من حزب العمال (الرابع) في الماء النقي يوفر طريقا الاصطناعية المبتكرة لجزيئات معدنية من البلاتين monodispersed دون أي قوالب أو وكلاء متوجا. تكشف العديد من الدراسات مزايا الموجات فوق الصوتية لتفعيل المواد الصلبة المقسمة. بشكل عام، وآثار الميكانيكية الموجات فوق الصوتية تساهم بقوة في الأنظمة غير المتجانسة بالإضافة إلى الآثار الكيميائية. على وجه الخصوص، sonolysis من حمى مجهولة السبب 2 مسحوق في غلة الماء النقي الغرويات مستقرة من البلوتونيوم على حد سواء بسبب الآثار.
Introduction
استخدام الموجات فوق الصوتية السلطة في العديد من المجالات الصناعية والبحثية، مثل تنظيف الأسطح الصلبة، وإزالة الغازات من السوائل، وعلوم المواد، المعالجة البيئية، والطب، وتلقت الكثير من الاهتمام خلال العقد الماضي 1. العلاج بالموجات فوق الصوتية يزيد من التحويل، ويحسن العائد، ويبدأ في ردود الفعل حلول متجانسة وكذلك في الأنظمة غير المتجانسة. ومن المتفق عليه عموما أن الآثار الفيزيائية والكيميائية من الاهتزازات فوق الصوتية في السوائل تنشأ من التجويف الصوتية، أو بعبارة أخرى، إلى انهيار إندفاعية من microbubbles في سوائل المشع مع الموجات فوق الصوتية الطاقة 2. انهيار فقاعة عنيفة من التجويف يولد الظروف القاسية عابرة في مرحلة الغاز من فقاعة، والتي هي المسؤولة عن تشكيل الأنواع النشطة كيميائيا والإشعاع الضوئي. ومع ذلك، والنقاش لا يزال مستمرا حول أصل هذه الظروف القاسية. الطيفية تحليل سياسيق من الإشعاع الضوئي يساعد على فهم أفضل للعمليات التي تحدث أثناء انهيار الفقاعة. في الماء، المشبعة بالغازات النبيلة، وتتكون من أطياف الإشعاع الضوئي OH (A + 2 Σ-X 2 Π ط)، أوهايو (C 2 S-A + 2 + S) نطاقات واسعة سلسلة متصلة بدءا من الأشعة فوق البنفسجية لقوائم الجرد الوطنية جزءا من أطياف الانبعاثات 3. التحليل الطيفي للOH (A + 2 Σ-X 2 Π ط) نطاقات الانبعاثات تشكيل كشفت البلازما nonequilibrium خلال sonolysis من الماء 4، 5. في التردد المنخفض الموجات فوق الصوتية، ويتم تشكيل البلازما متحمس ضعيفة مع براو توزيع الذبذبات. على النقيض من ذلك، في الموجات فوق الصوتية عالية التردد، والبلازما داخل انهيار فقاعات المعارض ترينور السلوك النموذجي لإثارة الذبذبات قوية. درجات الحرارة vibronic (T ت، T ه) زيادة مع تردد الموجات فوق الصوتية تشير إلى ظروف أكثر جذرية في intrabubble عاليةتردد الموجات فوق الصوتية.
من حيث المبدأ، يمكن اعتبار كل فقاعة التجويف باعتبارها microreactor الكيميائية البلازما توفير عمليات نشطة للغاية في درجة حرارة الغرفة تقريبا من الحل السائبة. الفوتونات والجسيمات "الساخنة" تنتج داخل فقاعة تمكين لإثارة الأنواع غير المستقرة في الحلول وبالتالي زيادة التفاعلات الكيميائية. على سبيل المثال، يتأثر آلية الإشعاع الضوئي ultrabright الأيونات اليورانيل في المحاليل الحمضية التي كتبها تركيز اليورانيوم: الفوتونات امتصاص / إعادة الانبعاثات في حلول الواحد، والإثارة من خلال التصادمات مع جزيئات "الساخنة" يساهم في ارتفاع تركيز اليورانيل 6. الأنواع الكيميائية التي تنتجها فقاعات التجويف يمكن أن تستخدم لتركيب الجسيمات النانوية المعدنية دون أي قوالب أو وكلاء متوجا. في الماء النقي sparged مع الأرجون، والحد sonochemical من حزب العمال (IV) يحدث من قبل الهيدروجين تصدر من sonochemical جزيئات الماء تقسيم الغلة nanopartic monodispersedليه من البلاتين المعدنية 7. وتسارعت الحد Sonochemical متعددة في وجود حمض الفورميك أو وصول / CO خليط الغاز.
وقد أظهرت العديد من الدراسات السابقة مزايا الموجات فوق الصوتية لتنشيط سطح المواد الصلبة مقسمة بسبب الآثار الميكانيكية بالإضافة إلى التنشيط الكيميائي 8،9. الجزيئات الصلبة الصغيرة التي هي أقل من ذلك بكثير في الحجم من فقاعات التجويف لا التشويش على التماثل الانهيار. ومع ذلك، عند حدوث الحدث التجويف قرب المجاميع الكبيرة أو بالقرب من سطح طويلة فقاعة ينهار بشكل غير متجانس، وتشكيل microjet الأسرع من الصوت مما أدى إلى تجزئة كتلة وإلى تآكل سطح صلب. العلاج بالموجات فوق الصوتية من ثاني أكسيد البلوتونيوم في الماء النقي sparged مع الأرجون يؤدي تشكيل nanocolloids مستقرة من البلوتونيوم (الرابع) على حد سواء بسبب الآثار الفيزيائية والكيميائية 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
المعلمات الأكثر أهمية بالنسبة لمراقبة ناجحة من الإشعاع الضوئي وsonochemistry هي: 1) رقابة صارمة من الغاز ودرجة حرارة تشبع الأكبر خلال صوتنة، 2) الاختيار الدقيق للتردد الموجات فوق الصوتية، 3) استخدام الأمثل لتكوين الحل و sonicated لمنع التبريد.
<p class="jove_content" style=";text-align:right;direction:rt…Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أود أن أنوه ANR الفرنسية (منحة ANR-10-بلان-0810 NEQSON) وCEA / DEN / ماركول.
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).
