Aktivering Molecules, ioner, og faste partikler med Acoustic Kavitation
Summary
Akustisk kavitation i væsker forelægges til magten ultralyd skaber forbigående ekstreme forhold inde i kollapsende bobler, som er oprindelsen af usædvanlige kemiske reaktivitet og lys emission, der er kendt som sonoluminescens. I nærværelse af ædelgasser er uligevægtsfænomener plasma dannes. "Hot" partikler og fotoner, der genereres af kollapsende bobler er i stand til at vække arter i opløsning.
Abstract
De kemiske og fysiske effekter af ultralyd ikke opstår en direkte interaktion af molekyler med lydbølger, men snarere fra den akustiske kavitation: kernedannelse, vækst og implosive kollaps af mikrobobler i væsker forelægges til magten ultralyd. Den voldsomme implosion af bobler fører til dannelse af kemisk reaktive arter og emissionen af lys, opkaldt sonoluminescens. I dette manuskript, beskriver vi de teknikker tillader undersøgelse af ekstreme intrabubble forhold og kemisk reaktivitet af akustisk kavitation i løsninger. Analysen af sonoluminescens spektre af vand sprøjtet med ædelgasser giver evidens for uligevægtsfænomener plasma dannelse. De fotoner og de "varme" partikler genereret af kavitationsbobler muligt at excitere de ikke-flygtige arter i opløsninger øge deres kemiske reaktivitet. For eksempel den mekanisme for ultrabright sonoluminescens af uranyl ioner i sure opløsninger varierer med koncentrationen uran: Sonophotoluminescence dominerer i fortyndede opløsninger, og collisional excitation bidrager med koncentration højere uran. Sekundære sonochemical produkter kan opstå kemisk aktive arter, der er dannet inde i boblen, men derefter diffundere ind i den flydende fase og reagere med opløsning forstadier til dannelse af en række forskellige produkter. For eksempel sonochemical reduktion af Pt (IV) i rent vand er en innovativ syntesevej for monodisperse nanopartikler af metallisk platin uden skabeloner eller capping-midler. Mange undersøgelser viser fordelene ved ultralyd for at aktivere de opdelte faste stoffer. I almindelighed er de mekaniske virkninger af ultralyd kraftigt bidrager heterogene systemer udover kemiske virkninger. Især sonolysis af PUO 2 pulver i rene vand giver stabile kolloider plutonium skyldes både virkninger.
Introduction
Brugen af magt ultralyd i en lang række industri-og forskningsområder, såsom rengøring af faste overflader, afgasning af væsker, materialevidenskab, udbedring af miljøskader, og medicin, har fået megen opmærksomhed i det seneste årti 1.. Ultralyds behandling øger omdannelsen, forbedrer udbyttet og igangsætter reaktionerne i homogene løsninger såvel som i heterogene systemer. Det er generelt accepteret, at de fysiske og kemiske virkninger af ultrasoniske vibrationer i væsker opstår akustisk kavitation, eller med andre ord at den implosive kollaps af mikrobobler i fluider bestrålet med strøm ultralyd 2. Voldelige implosion af kavitation boble genererer forbigående ekstreme forhold i gasfasen af boblen, som er ansvarlig for dannelsen af kemisk aktive arter og sonoluminescens. Ikke desto mindre er debatten stadig fortsætter over oprindelsen af sådanne ekstreme forhold. Spektroskopisk analysis af sonoluminescens hjælper til bedre at forstå de processer, der forekommer i løbet af boblen sammenbrud. I vand, mættet med ædelgasser, er det sonoluminescens spektre sammensat af OH (A 2 Σ +-X 2 Π i), OH (C 2 S +-A 2 S +) bands og et bredt kontinuum fra UV til NIR del af emissionsspektrene 3. Spektroskopisk analyse af OH (A 2 Σ +-X 2 Π i) emission bands afsløret dannelsen af uligevægtsfænomener plasma under sonolysis vand 4, 5. Ved lav ultralyd frekvens, er svagt ophidset plasma med Brau vibrationelle fordeling dannes. Derimod ved højfrekvente ultralyd, plasma inde kollapse bobler udstiller Treanor adfærd typisk for en stærk vibrationelle excitation. De vibronic temperaturer (T v, T e) stige med ultralydsfrekvens angiver mere drastiske intrabubble forhold på high-frekvens ultralyd.
I princippet kan hver kavitation boble betragtes som en plasma kemisk mikroreaktor yde meget energirige processer på næsten stuetemperatur af bulkopløsningen. Fotonerne og "varme" partikler produceret inde i boblen muliggøre at excitere de ikke-flygtige arter i opløsninger og dermed øge deres kemiske reaktivitet. For eksempel er den mekanisme for ultrabright sonoluminescens af uranyl ioner i sure opløsninger påvirket af koncentrationen uran: fotoner absorption / re-emission i fortyndede opløsninger, og excitation via sammenstød med "hot" partikler bidrager ved højere uranyl koncentration 6. Kan anvendes kemiske forbindelser fremstillet ved kavitationsbobler til syntese af metalliske nanopartikler uden skabeloner eller capping-midler. I rent vand sprøjtet med argon, den sonochemical reduktion af Pt (IV) sker ved brint udstedt fra sonochemical vandmolekyler splitting giver monodispergeret nanoparticles af metallisk platin 7. Sonochemical reduktion accelereres manifold i nærvær af myresyre eller Ar / CO-gas blanding.
Mange tidligere undersøgelser har vist fordelene ved ultralyd for at aktivere overfladen af opdelte faste stoffer på grund af de mekaniske påvirkninger i tillæg til kemisk aktivering 8,9. Små faste partikler, som er meget mindre i størrelse end kavitationsboblerne ikke forstyrrer symmetrien af sammenbrud. Men når en kavitation indtræder nær store aggregater eller i nærheden udvidet overflade boblen imploderer asymmetrisk og danner en supersonisk microjet fører til klyngen desaggregering og til den faste overflade erosion. Ultrasonic behandling af plutoniumdioxid i rent vand sprøjtet med argon forårsager dannelse af stabile nanocolloids plutonium (IV) på grund af både fysiske og kemiske virkninger 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
De mest kritiske parametre for en vellykket observation sonoluminescens og sonochemistry er: 1) streng kontrol af mættende gassen og lasten under lydbehandling, 2) omhyggelig udvælgelse af ultralydsfrekvens, 3) ved hjælp af en optimal sammensætning sonikeret løsning for at forhindre bratkøling.
Kinetikken af sonochemical reaktioner samt intensiteten sonoluminescens er meget følsom overfor temperaturen af opløsningen indgives til ultralyd: i modsætning til kinetikken af ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne vil gerne anerkende den franske ANR (tilskud ANR-10-BLAN-0810 NEQSON) og 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).
