Activerende moleculen, ionen, en Vaste deeltjes met akoestische cavitatie
Summary
Akoestische cavitatie aan de macht echografie ingediend vloeistoffen creëert kortstondige extreme omstandigheden in de instortende bubbels, die de oorsprong van de ongewone chemische reactiviteit en lichtemissie, bekend als sonoluminescentie zijn. In aanwezigheid van edelgassen, wordt evenwichts plasma gevormd. De "hot" deeltjes en de fotonen die door instortende bubbels zijn in staat om soorten te wekken in oplossing.
Abstract
De chemische en fysische effecten van ultrageluid niet veroorzaakt worden door een directe interactie van moleculen met geluidsgolven, maar uit de akoestische cavitatie: de kiemvorming, groei en ineenstorting implosieve microbellen zijn om ultrasone energie ingediende vloeistoffen. De gewelddadige implosie van bellen leidt tot de vorming van chemisch reactieve species en de lichtemissie, genaamd sonoluminescentie. In dit manuscript beschrijven we de technieken waardoor studie van extreme intrabubble omstandigheden en chemische reactiviteit van akoestische cavitatie in oplossingen. De analyse van sonoluminescence spectra van water gespoeld met edelgassen levert het bewijs voor niet-evenwichts plasma formatie. De fotonen en "hot" deeltjes die door cavitatie bellen mogelijk de niet-vluchtige soorten wekken in oplossing verhogen hun chemische reactiviteit. Bijvoorbeeld het mechanisme van ultrabright sonoluminescentie uranyl ionen in zure oplossingen varieert uraniumconcentratie: Sonophotoluminescence domineert in verdunde oplossingen, en botsingsstralingsmodellen excitatie draagt bij hogere concentraties uranium. Secundaire sonochemical producten kunnen voortvloeien uit chemisch actieve species die zijn gevormd binnen de bel, maar diffunderen in de vloeibare fase en reageren met oplossing voorlopers verschillende producten vormen. Bijvoorbeeld, de sonochemical reductie van Pt (IV) in zuiver water een innovatieve syntheseweg voor monogedispergeerde nanodeeltjes van metallisch platina zonder sjablonen of afsluitmiddelen. Veel studies tonen de voordelen van ultrageluid om de verdeelde vaste stoffen te activeren. In het algemeen, de mechanische effecten van ultrageluid mate bijdragen in heterogene systemen naast chemische effecten. Met name de sonolyse van Puo 2 poeder in water opbrengsten stabiele colloïden plutonium zuiver door beide effecten.
Introduction
Het gebruik van macht echografie in tal van industriële en onderzoeksgebieden, zoals het reinigen van vaste oppervlakken, ontgassing van vloeistoffen, materiaalkunde, herstel van het milieu, en de geneeskunde, heeft veel aandacht gekregen in het afgelopen decennium 1. De ultrasone behandeling wordt het omzettingsrendement, verbetert de opbrengst en initieert de reacties in homogene oplossingen als in heterogene systemen. Algemeen wordt aangenomen dat de fysische en chemische effecten van ultrasone trillingen in vloeistoffen ontstaan uit akoestische cavitatie of, in andere woorden, de implosieve ineenstorting van microbelletjes in vloeistoffen bestraald met ultrageluid stroom 2. Gewelddadige implosie van de cavitatie bellen genereert tijdelijke extreme omstandigheden in de gasfase van de bel, die verantwoordelijk zijn voor de vorming van chemisch actieve species en sonoluminescentie. Toch debat nog verder over de oorsprong van dergelijke extreme omstandigheden. Spectroscopische analysis van de sonoluminescence helpt om beter inzicht in de processen die optreden tijdens de bubble instorten. In water, verzadigd met edelgassen, de sonoluminescence spectra zijn samengesteld uit OH (A 2 Σ +-X 2 Π i), OH (C 2 S +-A 2 S +) bands en een breed continuüm gaande van UV tot NIR deel van de emissie spectra 3. Spectroscopische analyse van OH (A 2 Σ +-X 2 Π i) emissiebanden wijst op de vorming van niet-evenwichts plasma tijdens sonolyse water 4, 5. Bij lage ultrasone frequentie, is zwak opgewonden plasma met Brau vibratie distributie gevormd. Daarentegen, bij hoogfrequent ultrageluid, het plasma binnen instortende bellen Treanor gedrag vertoont typisch sterke vibrationele excitatie. De vibronische temperaturen (T v, T e) te verhogen met ultrasone frequentie aangeeft meer drastische intrabubble omstandigheden bij hoge-ultrageluid.
In principe kan elke cavitatie bel worden beschouwd als een plasma chemische microreactor verschaffen hoogenergetische processen op bijna kamertemperatuur van de bulk oplossing. De fotonen en "hot" deeltjes die in de bel staat de niet-vluchtige soorten wekken in oplossing waardoor hun chemische reactiviteit. Zo is het mechanisme van ultrabright sonoluminescentie uranyl ionen in zure oplossingen beïnvloed door uraniumconcentratie: fotonen absorptie / re-emissie in verdunde oplossingen, en excitatie via botsingen met "hot" deeltjes draagt bij hogere concentratie uranyl 6. Chemische species door cavitatie bellen kan worden gebruikt voor de synthese van nanodeeltjes zonder sjablonen of afsluitmiddelen. In zuiver water gespoeld met argon, de sonochemical reductie van Pt (IV) komt door waterstof afgegeven vanaf sonochemical watermoleculen splitsen waardoor monogedispergeerde nanoparticles van metalen platina 7. Sonochemical reductie wordt versneld verdeelstuk in aanwezigheid van mierenzuur of Ar / CO gasmengsel.
Vele eerdere studies hebben de voordelen van ultrageluid aangetoond dat het oppervlak van verdeelde vaste stoffen activeren door de mechanische effecten naast activatie 8,9. Kleine vaste deeltjes die in grootte veel kleiner dan de cavitatiebelletjes niet verstoren de symmetrie van instorten. Wanneer echter een cavitatie gebeurtenis dichtbij grote aggregaten of bij uitgebreide oppervlakte van de bel implodeert asymmetrisch, die een supersonische microjet leidt tot de cluster opsplitsing en het vaste oppervlak erosie. Ultrasone behandeling plutoniumdioxide in zuiver water gespoeld met argon veroorzaakt vorming van stabiele nanocolloids plutonium (IV) door zowel fysische als chemische effecten 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
De meest kritische parameters voor een succesvolle waarneming van sonoluminescentie en sonochemie zijn: 1) strikte controle van het verzadigen van gas en het grootste temperatuur tijdens sonicatie 2) zorgvuldige selectie van ultrasone frequentie, 3) een optimale samenstelling van gesoniceerd oplossing gebruiken om quenching voorkomen.
De kinetiek van de reacties sonochemical en de intensiteit van sonoluminescentie is zeer gevoelig voor de temperatuur van ultrageluid ingediend oplossing: in t…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag de Franse ANR (subsidie ANR-10-BLAN-0810 NEQSON) en CEA / DEN / Marcoule erkennen.
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).
