Sonochemical Επιδράσεις στην Διεργασίες Sol-Gel

Υψηλή ισχύς υπερήχων

Υψηλής ισχύος, υπερήχων χαμηλής συχνότητας προσφέρει υψηλό δυναμικό για χημικές διεργασίες. Όταν τα υπερηχητικά κύματα έντονη εισάγονται σε ένα υγρό μέσο, ​​εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης και χαμηλής πίεσης με προκύψει ποσοστά ανάλογα με τη συχνότητα. κύκλους υψηλής πίεσης σημαίνει συμπίεσης, ενώ κύκλοι χαμηλή συχνότητα σημαίνει αραίωση του μέσου. Κατά τη διάρκεια του κύκλου χαμηλής πίεσης (αραίωση), υψηλή ισχύς υπερήχων δημιουργεί μικρές φυσαλίδες κενού στο υγρό. Αυτές οι φυσαλίδες κενού αυξάνεται κατά τη διάρκεια αρκετών κύκλων.
Κατά συνέπεια με την ένταση υπερήχων, υγρό συμπιέζει και εκτείνεται σε διάφορους βαθμούς. Αυτό σημαίνει ότι η σπηλαίωση φυσαλίδες μπορούν να συμπεριφέρονται με δύο τρόπους. Σε χαμηλές εντάσεις υπερήχων της ~ 1-3Wcm^-2, οι φυσαλίδες σπηλαίωσης κυμαίνονται γύρω από κάποιο μέγεθος ισορροπίας για πολλούς ακουστικούς κύκλους. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται σταθερή σπηλαίωση. Σε υψηλές εντάσεις υπερήχων (≤10Wcm^-2) Οι cavitational φυσαλίδες σχηματίζεται μέσα σε λίγα ακουστική κύκλους με ακτίνα τουλάχιστον διπλάσιο αρχικό τους μέγεθος και την κατάρρευση σε ένα σημείο της συμπίεσης, όταν η φούσκα δεν μπορεί να απορροφήσει περισσότερη ενέργεια. Αυτό ονομάζεται παροδική ή αδρανειακή σπηλαίωση. Κατά τη διάρκεια κατάρρευση φούσκα, συμβαίνουν τοπικά λεγόμενα hot spots, τα οποία διαθέτουν ακραίες συνθήκες: Κατά την κατάρρευση, τοπικά πολύ υψηλές θερμοκρασίες (περ. 5,000K) και πιέσεις (περ. 2,000atm) επιτυγχάνονται. Η κατάρρευση της φούσκας σπηλαίωσης οδηγεί επίσης σε υγρή πίδακες έως 280m / s ταχύτητα, οι οποίες δρουν ως πολύ υψηλές δυνάμεις διάτμησης. [Suslick 1998 / Santos et al. 2009]

μεσοπορώδη TiO₂ μέσω Υπερήχων Sol-Gel Σύνθεση

μεσοπορώδη TiO₂ είναι widley χρησιμοποιείται ως φωτοκαταλύτη, καθώς και στα ηλεκτρονικά, τεχνολογία αισθητήρων και περιβαλλοντικής αποκατάστασης. Για βελτιστοποιημένες ιδιότητες υλικών, αυτό έχει ως στόχο να παράγει TiO₂ με υψηλή κρυσταλλικότητα και μεγάλο εμβαδόν επιφανείας. Η υπερηχητική διαδρομή επικουρούμενη sol-gel έχει το πλεονέκτημα ότι η ενδογενής και εξωγενής ιδιότητες του TiO₂, Όπως το μέγεθος των σωματιδίων, το εμβαδόν επιφανείας, του πορώδους όγκου, πόρων διαμέτρου, κρυσταλλικότητα καθώς και ανατάση, ρουτιλίου και αναλογίες βρουκίτη φάσης μπορεί να επηρεάζεται ελέγχοντας τις παραμέτρους.
Milani et αϊ. (2011) απέδειξαν τη σύνθεση του TiO₂ νανοσωματίδια ανατάση. Ως εκ τούτου, η διαδικασία sol-gel εφαρμόσθηκε στην TiCl₄ πρόδρομος και τους δύο τρόπους, με ή χωρίς υπερήχους, έχουν σχέση. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ακτινοβολία υπερήχων έχουν μια μονότονη αποτέλεσμα επί όλων των συστατικών του διαλύματος γίνεται με τη μέθοδο sol-gel και να προκαλέσει το σπάσιμο των χαλαρών δεσμών των μεγάλων νανομετρικών κολλοειδών σε διάλυμα. Έτσι, τα μικρότερα νανοσωματίδια που δημιουργούνται. Τα τοπικά συμβαίνουν υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες σπάσει τα bondings στο μακρύ αλυσίδων πολυμερούς, καθώς και τις αδύναμους κρίκους πρόσδεσης μικρότερα σωματίδια, με την οποία σχηματίζονται μεγαλύτερα κολλοειδή μάζες. Η σύγκριση των δύο TiO₂ δείγματα, σε παρουσία και σε απουσία υπερηχητικής ακτινοβολίας, δείχνεται στις εικόνες SEM παρακάτω (βλέπε Εικ. 2).

Pic. 2: SEM εικόνες των TiO2 pwder, υφίστανται φρύξη εις 400 degC για 1 ώρα και ζελατινοποίηση στιγμή της 24h: (α) υπό την παρουσία και (β) υπό την απουσία υπερήχων. [Milani et αϊ. 2011]

Επιπλέον, χημικές αντιδράσεις μπορούν να επωφεληθούν από sonochemical επιδράσεις, οι οποίες περιλαμβάνουν π.χ. η θραύση των χημικών δεσμών, σημαντική ενίσχυση της χημικής δραστικότητας ή μοριακή αποικοδόμηση.

Sono-Τζελ

Σε Sono-καταλυτικά επικουρούμενη αντιδράσεις sol-gel, υπέρηχος εφαρμόζεται στα προδρόμους. Τα προκύπτοντα υλικά με νέα χαρακτηριστικά είναι γνωστή ως sonogels. Λόγω της απουσίας του πρόσθετου διαλύτου σε συνδυασμό με το υπερηχητικό σπηλαίωση, Ένα μοναδικό περιβάλλον για αντιδράσεις sol-gel δημιουργείται, η οποία επιτρέπει τον σχηματισμό των ιδιαίτερα χαρακτηριστικά στις γέλες που προκύπτουν: υψηλής πυκνότητας, λεπτή υφή, ομοιογενή δομή κλπ Οι ιδιότητες αυτές καθορίζουν την εξέλιξη των sonogels για περαιτέρω επεξεργασία και την τελική δομή υλικού . [Blanco et αϊ. 1999]
Suslick και Τιμή (1999) δείχνουν ότι η υπερηχητική ακτινοβολία του Si (OC₂H₅),₄ σε νερό με ένα οξύ καταλύτη παράγει ένα διοξείδιο του πυριτίου «sonogel». Στη συμβατική παρασκευή πηκτωμάτων σίλικα από Si (OC₂H₅),₄, Η αιθανόλη είναι ένας κοινά χρησιμοποιούμενος συν-διαλύτης, λόγω της μη διαλυτότητας του Si (OC₂H₅),₄ στο νερό. Η χρήση τέτοιων διαλυτών είναι συχνά προβληματική, δεδομένου ότι μπορούν να προκαλέσουν το ράγισμα κατά την διάρκεια του σταδίου ξήρανσης. Υπερήχους παρέχει ένα πολύ αποδοτικό ανάμιξης έτσι ώστε μπορεί να αποφευχθεί πτητικών συν-διαλύτες όπως αιθανόλη. Αυτό οδηγεί σε μια πυριτίας Sono-γέλη που χαρακτηρίζεται από μια υψηλότερη πυκνότητα από τα συμβατικά που παράγονται πηκτώματα. [Suslick et αϊ. 1999, 319στ.]
Συμβατικά αεροπηκτώματα αποτελούνται από μία μήτρα χαμηλής πυκνότητας με μεγάλο άδειο πόρους. Οι sonogels, αντίθετα, έχουν λεπτότερα πορώδες και οι πόροι είναι αρκετά σφαίρας-σχήμα, με μια λεία επιφάνεια. Κλίσεις μεγαλύτερες από 4 στην περιοχή υψηλή γωνία αποκαλύπτουν σημαντικές διακυμάνσεις ηλεκτρονική πυκνότητα στα όρια του πορώδους μήτρας [Rosa-Fox et al. 1990].
Οι εικόνες της επιφάνειας των δειγμάτων κόνεως δείχνουν σαφώς ότι η χρήση υπερηχητικών κυμάτων οδήγησε σε μεγαλύτερη ομοιογένεια του μέσου μεγέθους των σωματιδίων και οδήγησε σε μικρότερα σωματίδια. Λόγω κατεργασία με υπερήχους, το μέσο μέγεθος σωματιδίων μειώνεται κατά περίπου. 3 nm. [Milani et αϊ. 2011]
Τα θετικά αποτελέσματα των υπερήχων αποδειχθεί σε διάφορες ερευνητικές μελέτες. Π.χ., αναφέρουν Neppolian et αϊ. στο έργο τους τη σημασία και τα πλεονεκτήματα της υπερήχους στην τροποποίηση και τη βελτίωση των φωτοκαταλυτικές ιδιότητες των μεσοπορωδών σωματιδίων TiO2 νανο-μεγέθους. [Neppolian et αϊ. 2008]

Nanocoating μέσω αντίδρασης sol-gel υπερήχων

Τα μέσα επιτόπιας επίστρωσης καλύπτουν το υλικό με ένα στρώμα νανο-κλιμάκωσης ή την κάλυψη μιας οντότητας μεγέθους νανο-μεγέθους. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνονται εγκλωβισμένες δομές ή δομές πυρήνα-κελύφους. Αυτά τα νανο-σύνθετα έχουν φυσικές και χημικές ιδιότητες υψηλής απόδοσης λόγω συνδυασμένων ειδικών χαρακτηριστικών και / ή δομικών επιδράσεων των συστατικών.
Παραδειγματικά, η διαδικασία επικάλυψης σωματιδίων οξειδίου του κασσίτερου ινδίου (ITO) θα αποδειχθεί. Τα σωματίδια ITO επικαλύπτονται με σίλικα σε μια διαδικασία δύο σταδίων, όπως φαίνεται σε μια μελέτη του Chen (2009). Στο πρώτο χημικό στάδιο, η σκόνη οξειδίου του κασσιτέρου ίνδιο υφίσταται επεξεργασία αμυλοσιλάνης. Το δεύτερο στάδιο είναι η επικάλυψη πυριτίας υπό υπερήχους. Για να δώσουμε ένα συγκεκριμένο παράδειγμα της υπερήχησης και των αποτελεσμάτων της, το βήμα της διαδικασίας που παρουσιάζεται στη μελέτη του Chen συνοψίζεται παρακάτω:
Μία τυπική μέθοδος για αυτό το βήμα είναι η ακόλουθη: 10g GPTS αναμίχθηκε αργά με 20g νερού οξινισμένο με υδροχλωρικό οξύ (ΗΟΙ) (ρΗ = 1,5). Στη συνέχεια προστέθηκαν 4 g της προαναφερθείσας σκόνης επεξεργασμένης με αμινοσιλάνιο στο μείγμα, που περιέχεται σε γυάλινη φιάλη των 100 ml. Στη συνέχεια τοποθετήθηκε η φιάλη κάτω από τον ανιχνευτή του υπερηχητικού ακτινοβολητή για συνεχή ακτινοβολία υπερήχων με ισχύ εξόδου 60W ή μεγαλύτερη.
αντίδραση Sol-gel ξεκίνησε μετά από περίπου 2-3min ακτινοβόληση με υπερήχους, πάνω στο οποίο δημιουργήθηκε λευκός αφρός, λόγω της απελευθέρωσης της αλκοόλης κατά την εκτεταμένη υδρόλυση της GLYMO (3- (2,3-εποξυπροποξυ) προπυλτριμεθοξυσιλάνιο). Κατεργασία με υπερήχους εφαρμόστηκε για 20 λεπτά, μετά το οποίο το διάλυμα αναδεύτηκε για αρκετές επιπλέον ώρες. Μόλις ολοκληρωθεί η διαδικασία ήταν τελειωμένο, σωματίδια συγκεντρώθηκαν με φυγοκέντρηση και πλύθηκαν κατ 'επανάληψη με νερό στη συνέχεια είτε ξηραίνονται για χαρακτηρισμό ή διατηρούνται διεσπαρμένα σε νερό ή οργανικούς διαλύτες. [Chen 2009, p.217]