הפעלת מולקולות, יונים, וחלקיקים מוצקים עם אקוסטית Cavitation
Summary
cavitation אקוסטי בנוזלים שהוגשו לאולטרסאונד הכוח יוצר תנאים חולפים קיצוניים בתוך בועות קורסת, אשר הם המקור יוצאת דופן פליטת תגובה כימית והאור, המכונה sonoluminescence. בנוכחותם של גזים אצילים, הפלזמה nonequilibrium נוצר. החלקיקים "החמים" וגם לפוטונים שנוצרו על ידי קריסת בועות מסוגלים לרגש מינים בתמיסה.
Abstract
הכימי וההשפעות פיזיות של אולטרסאונד אינו נובעות מאינטראקציה ישירה של מולקולות עם גלי קול, אלא מcavitation אקוסטי: נוקלאציה, הצמיחה, והקריסה של קריסה של microbubbles בנוזלים שהוגשו לאולטרסאונד כוח. הקריסה האלימה של בועות מובילה להיווצרות של מינים מגיבים באופן כימי ולפליטה של sonoluminescence אור, בשם. בכתב היד הזה, אנו מתארים את הטכניקות המאפשרות מחקר של תנאי intrabubble קיצוניים ותגובה הכימית של cavitation אקוסטי בפתרונות. הניתוח של ספקטרום sonoluminescence מים sparged עם גזים אצילים מספק ראיות להיווצרות הפלזמה nonequilibrium. הפוטונים והחלקיקים "החמים" שהופקו על ידי בועות cavitation לאפשר לרגש מינים בלתי נדיף בפתרונות הגברת התגובה הכימית שלהם. לדוגמא המנגנון של sonoluminescence ultrabright של יוני uranyl בפתרונות חומצי משתנה עם ריכוז אורניום: Sonophotoluminescence שולט בפתרונות בדילול מלא, ועירור collisional תורם בריכוז אורניום גבוה יותר. מוצרי sonochemical משניים יכולים לנבוע ממינים פעילים כימי שנוצרים בתוך הבועה, אבל אז לפזר את השלב הנוזלי ומגיבים עם מבשרי פתרון ליצירת מגוון רחב של מוצרים. לדוגמא, הפחתת sonochemical של Pt (IV) במים טהורים מספקת מסלול סינטטי חדשני לחלקיקי monodispersed של פלטינה מתכתית ללא כל תבניות או סוכני מכסת. מחקרים רבים חושפים את היתרונות של אולטרסאונד כדי להפעיל את המוצקים המחולקים. באופן כללי, את ההשפעות מכאניות של אולטרסאונד בתוקף לתרום במערכות הטרוגניות, בנוסף להשפעות כימיות. בפרט, sonolysis של PuO 2 אבקה בתשואות מים טהורות קולואידים יציבים של פלוטוניום בשל שני תופעות.
Introduction
השימוש באולטרסאונד הכוח באזורי תעשייה ובמחקר רבים, כגון ניקוי של משטחים מוצקים, degassing של נוזלים, מדעי חומר, תיקון סביבתי, ורפואה, קיבל הרבה תשומת לב בעשור האחרון 1. הטיפול קולי מגדיל את ההמרה, משפר את התשואה, ויוזם את התגובות בפתרונות הומוגניים, כמו גם במערכות הטרוגניות. הדעה מקובלת היא שהתופעות הפיסיקליות וכימיות של תנודות קולי בנוזלים נובעות מcavitation אקוסטי או, במילים אחרות, לקריסה של הקריסה של microbubbles בנוזלים מוקרנים עם הכוח אולטרסאונד 2. קריסה אלימה של בועת cavitation יוצרת תנאים חולפים קיצוניים בגז בשלב של הבועה, אשר אחראים להיווצרותם של מינים וsonoluminescence פעילים כימי. עם זאת, ויכוח עדיין נמשך על מקורם של תנאים קיצוניים כאלה. Analysi ספקטרוסקופיותים של sonoluminescence עוזר להבין טוב יותר את התהליכים המתרחשים בעת קריסת הבועה. במים, רווי בגזים אצילים, ספקטרה sonoluminescence מורכבת מOH (2 Σ +-X 2 Π i), OH להקות (C 2 + S-2 + S) ורצף רחב החל UV לחלק ניר של ספקטרום הפליטה 3. ניתוח ספקטרוסקופיות של OH (2 Σ +-X 2 Π i) להקות פליטת היווצרות גילתה של הפלזמה nonequilibrium במהלך sonolysis מים 4, 5. בתדר קולי נמוך, פלזמה בחולשה נרגשת עם הפצת רטט Brau נוצר. לעומת זאת, באולטרסאונד בתדירות גבוהה, הפלזמה בתוך קריסת בועות מוצגי התנהגות אופיינית לעירור רטט חזק טרינור. טמפרטורות vibronic (T v, e T) עם עלייה בתדירות קולי המעידות יותר תנאי intrabubble דרסטית בגבוהאולטרסאונד בתדירות.
באופן עקרוני, כל בועת cavitation יכולה להיחשב כmicroreactor כימי פלזמה מתן תהליכים אנרגטיים מאוד כמעט בטמפרטורת חדר של הפתרון בתפזורת. הפוטונים והחלקיקים "החמים" המיוצרים בתוך הבועה לאפשר לרגש מינים בלתי נדיף בפתרונות ובכך להגדיל התגובה הכימית שלהם. למשל, המנגנון של sonoluminescence ultrabright של יוני uranyl בפתרונות חומצי מושפע מריכוז אורניום: קליטת פוטונים / מחדש פליטה בפתרונות בדילול מלא, ועירור באמצעות התנגשויות עם חלקיקים "חמים" תורמים בריכוז uranyl גבוה 6. לתרכובות כימיות המיוצרת על ידי בועות cavitation יכולה לשמש לסינתזה של חלקיקים מתכתיים ללא כל תבניות או סוכני מכסת. במים טהורים sparged עם ארגון, הפחתת sonochemical של Pt (IV) מתרחשת על ידי מימן הוציא מפיצול מולקולות מים sonochemical מניב nanopartic monodispersedles של פלטינה מתכתית 7. הפחתת sonochemical מואצת סעפת בנוכחות חומצה פורמית או Ar / תערובת גז CO.
מחקרים קודמים רבים הראו את היתרונות של אולטרסאונד כדי להפעיל את פני השטח של מוצקים מחולקים בשל ההשפעות מכאניות, בנוסף להפעלה כימית 8,9. חלקיקים מוצקים קטנים שהם הרבה פחות מאשר גודל בועות cavitation לא להפריע את הסימטריה של קריסה. עם זאת, כאשר אירוע cavitation מתרחש ליד אגרגטים גדולים או בקרבת פני השטח מורחב הבועה מתפוצצת סימטרית, ויצרה microjet קולי מוביל את ריסוק האשכול ולשחיקת המשטח המוצק. טיפול אולטרסאונד של פלוטוניום דו חמצני במים טהורים sparged עם ארגון גורם להיווצרות של nanocolloids היציב של פלוטוניום (IV) בשל תופעות הפיסיקליות וכימיות שני 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
הפרמטרים הקריטיים ביותר לתצפית מוצלחת של sonoluminescence וsonochemistry הם: 1) שליטה קפדנית של הגז להרוות והטמפרטורה בתפזורת במהלך sonication, 2) בחירה זהירה של תדר קולי, 3) שימוש בהרכב אופטימלי של פתרון sonicated למנוע מרווה.
קינטיקה של תגובות sonochemical כמו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים רוצים להכיר ANR הצרפתי (מענק ANR-10-BLAN-0810 NEQSON) ו-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 |
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).
