Aktivera molekyler, joner, och fasta partiklar med Acoustic Kavitation
Summary
Akustisk kavitation i vätskor som lämnas till makten ultraljud skapar transienta extrema förhållanden inuti kollapsande bubblor, som är ursprunget till ovanliga kemisk reaktivitet och ljusemission, som kallas sonoluminescence. I närvaro av ädelgaser, är nonequilibrium plasma bildas. Den "heta" partiklar och fotoner som genereras av kollapsande bubblor kan väcka arter i lösning.
Abstract
De kemiska och fysiska effekterna av ultraljud uppstår inte från en direkt interaktion av molekyler med ljudvågor, utan snarare från den akustiska kavitation: kärnbildning, tillväxt och implosiva kollaps av mikrobubblor i vätskor som lämnas till makten ultraljud. Den våldsamma implosion av bubblor leder till bildandet av kemiskt reaktiva ämnen och utsläpp av ljus, som heter sonoluminescence. I detta manuskript beskriver vi de tekniker som möjliggör studie av extrema intrabubble förhållanden och kemisk reaktivitet av akustisk kavitation i lösningar. Analysen av sonoluminescence spektra av vatten spolades med ädelgaser ger bevis för nonequilibrium plasmabildning. De fotoner och "heta" partiklar som genereras av kavitationsbubblor möjligt att excitera de icke-flyktiga arter i lösningar ökar deras kemiska reaktivitet. Till exempel mekanismen för ultrabright sonoluminescence av uranyljoner i sura lösningar varierar med koncentrationen uran: Sonophotoluminescence dominerar i utspädda lösningar, och kollisions excitation bidrar vid koncentration högre uran. Sekundära sonokemisk produkter kan härröra från kemiskt aktiva species som bildas på insidan av bubblan, men sedan diffundera in i vätskefasen och reagerar med lösnings prekursorer för bildning av en mängd olika produkter. Till exempel ger den sonokemisk reduktion av Pt (IV) i rent vatten en innovativ syntesväg för monodispergerade nanopartiklar av metalliskt platina utan några mallar eller kapslingsmedel. Många studier visar fördelarna med ultraljud för att aktivera de fasta partiklar. I allmänhet är de mekaniska effekterna av ultraljud som bidrar väsentligt i heterogena system förutom kemiska effekter. I synnerhet sonolys av PUO två pulver i rent vatten ger stabila kolloider av plutonium på grund av både effekter.
Introduction
Användningen av makt ultraljud i ett flertal industri-och forskningsområden, till exempel rengöring av fasta ytor, avgasning av vätskor, materialvetenskap, miljöåterställning, och medicin, har fått mycket uppmärksamhet under de senaste tio åren 1. Den ultraljudsbehandling ökar omvandlingen, förbättrar utbytet, och initierar reaktionerna i homogena lösningar såväl som i heterogena system. Det är allmänt accepterat att de fysikaliska och kemiska effekter av ultraljud vibrationer i vätskor uppstå akustisk kavitation eller, med andra ord, den implosiva kollaps av mikrobubblor i vätskor som bestrålats med makt ultraljud 2. Våldsam implosion av kavitation bubblan alstrar transienta extrema förhållanden i gasfas av bubblan, som är ansvariga för bildningen av kemiskt aktiva species och sonoluminescence. Ändå fortsätter debatten fortfarande över ursprunget till sådana extrema förhållanden. Spektroskopiska analysis av sonoluminescence hjälper till att bättre förstå de processer som sker under bubblan kollaps. I vatten, mättad med ädelgaser, är det sonoluminescence spektra består av OH (A 2 Σ +-X 2 Π i), OH (C 2 S +-A 2 S +) band och ett brett kontinuum som sträcker sig från UV till NIR del av emissionsspektra 3. Spektroskopisk analys av OH (A 2 Σ +-X 2 Π i) emissionsband visade bildandet av nonequilibrium plasma under sonolys vatten 4, 5. Vid låg ultraljudsfrekvens, är svagt glada plasma med Brau vibrations fördelning bildas. Däremot vid högfrekvent ultraljud, plasma inne kollapsa bubblor utställningar Treanor beteende typiskt för stark vibrationsexcitering. De vibronisk temperaturer (T v, T e) öka med ultraljudsfrekvens indikerar mer drastiska intrabubble förhållanden vid hög-frekvens ultraljud.
I princip kan varje kavitationsbubbla betraktas som en plasma kemiska mikroreaktorer som tillhandahåller högenergetiska processer vid nästan rumstemperatur i bulklösningen. De fotoner och "heta" partiklar som produceras inne i bubblan gör det möjligt att väcka de icke-flyktiga arter i lösningar så sätt öka deras kemiska reaktivitet. Exempelvis är mekanismen för ultrabright sonoluminescence av uranyljoner i sura lösningar påverkas av koncentrationen uran: fotoner upptag / återemission i utspädda lösningar, och excitering via kollisioner med "heta" partiklar bidrar till högre AUC koncentration 6. Kemiska species som produceras av kavitationsbubblor kan användas för syntes av metalliska nanopartiklar utan några mallar eller kapslingsmedel. I rent vatten spolades med argon, den sonokemisk minskning av Pt (IV) sker genom väte utfärdas från sonokemisk vattenmolekyler delning ger monodispergerad nanoparticles av metallisk platina 7. Sonokemisk reduktion accelereras grenrör i närvaro av myrsyra eller Ar / CO-gasblandningen.
Många tidigare studier har visat fördelarna med ultraljud för att aktivera ytan av fasta partiklar på grund av de mekaniska effekter utöver kemisk aktivering 8,9. Små fasta partiklar som är mycket mindre i storlek än kavitationsbubblorna inte störa symmetrin av kollaps. När emellertid en kavitation inträffar nära stora aggregat eller i närheten av utökad yta bubblan imploderar asymmetriskt och bildar en överljuds microjet leder till klustret disaggregerar och till den fasta ytan erosion. Ultraljudsbehandling av plutoniumdioxid i rent vatten spolas med argon orsakar bildning av stabila nanocolloids plutonium (IV) på grund av både fysiska och kemiska effekter 10.
Protocol
Representative Results
Discussion
De mest kritiska parametrarna för framgångsrik observation av sonoluminescence och sonochemistry är: 1) en noggrann kontroll av den mätta gasen och bulktemperatur under sonikering, 2) noggrant urval av ultraljudsfrekvens, 3) med användning av en optimal sammansättning sonikerad lösning för att förhindra utsläckning.
Kinetiken för de sonokemisk reaktioner samt intensiteten av sonoluminescence är mycket känslig för temperaturen hos lösningen lämnades för ultraljud: i motsats t…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka för den franska ANR (bidrag ANR-10-BLAN-0810 NEQSON) och 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 |
Referências
- 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).
