Efectos sonoquímicos en los procesos sol-gel

ultrasonidos de alta potencia

Los ultrasonidos de alta potencia y baja frecuencia ofrecen un gran potencial para los procesos químicos. Cuando se introducen ondas ultrasónicas intensas en un medio líquido, se producen ciclos alternos de alta y baja presión con velocidades que dependen de la frecuencia. Los ciclos de alta presión significan compresión, mientras que los ciclos de baja frecuencia significan rarefacción del medio. Durante el ciclo de baja presión (rarefacción), los ultrasonidos de alta potencia crean pequeñas burbujas de vacío en el líquido. Estas burbujas de vacío crecen a lo largo de varios ciclos.
En función de la intensidad de los ultrasonidos, el líquido se comprime y se estira en distintos grados. Esto significa que el cavitación Las burbujas pueden comportarse de dos maneras. A bajas intensidades ultrasónicas de ~1-3Wcm^-2Las burbujas de cavitación oscilan en torno a un tamaño de equilibrio durante muchos ciclos acústicos. Este fenómeno se denomina cavitación estable. A intensidades ultrasónicas elevadas (≤10Wcm^-2) las burbujas cavitacionales se forman en pocos ciclos acústicos hasta alcanzar un radio de al menos el doble de su tamaño inicial y se colapsan en un punto de compresión cuando la burbuja no puede absorber más energía. Esto se denomina cavitación transitoria o inercial. Durante la implosión de la burbuja se producen localmente los denominados puntos calientes, que presentan condiciones extremas: Durante la implosión se alcanzan localmente temperaturas (aprox. 5.000K) y presiones (aprox. 2.000atm) muy elevadas. La implosión de la burbuja de cavitación también da lugar a chorros de líquido de hasta 280 m/s de velocidad, que actúan como fuerzas de cizallamiento muy elevadas. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009].

TiO mesoporoso₂ mediante síntesis Sol-Gel por ultrasonidos

TiO mesoporoso₂ se utiliza ampliamente como fotocatalizador, así como en electrónica, tecnología de sensores y remediación medioambiental. Para optimizar las propiedades de los materiales, se pretende producir TiO₂ con alta cristalinidad y gran superficie. La ruta sol-gel asistida por ultrasonidos tiene la ventaja de que las propiedades intrínsecas y extrínsecas del TiO₂Mediante el control de los parámetros, se puede influir en el tamaño de las partículas, el área superficial, el volumen de los poros, el diámetro de los poros, la cristalinidad y las proporciones de las fases anatasa, rutilo y brookita.
Milani et al. (2011) han demostrado la síntesis de TiO₂ nanopartículas de anatasa. Por lo tanto, se aplicó el proceso sol-gel al TiCl₄ y se han comparado ambos métodos, con y sin ultrasonidos. Los resultados muestran que la irradiación ultrasónica tiene un efecto monótono sobre todos los componentes de la solución hecha por el método sol-gel y provoca la ruptura de los enlaces sueltos de los grandes coloides nanométricos en solución. De este modo, se crean nanopartículas más pequeñas. Las altas presiones y temperaturas que se producen localmente rompen los enlaces de las cadenas largas de polímeros, así como los enlaces débiles que unen las partículas más pequeñas, por lo que se forman masas coloidales más grandes. La comparación de ambos TiO₂ de las muestras, en presencia y en ausencia de irradiación ultrasónica, se muestra en las imágenes SEM que figuran a continuación (véase la fig. 2).

Fig. 2: Imágenes SEM de TiO2 pwder, calcinado a 400 degC durante 1h y tiempo de gelatinización de 24h: (a) en presencia de y (b) en ausencia de ultrasonidos. [Milani et al. 2011]

Además, las reacciones químicas pueden beneficiarse de los efectos sonoquímicos, que incluyen, por ejemplo, la ruptura de enlaces químicos, el aumento significativo de la reactividad química o la degradación molecular.

sono-geles

En sono-catalíticamente reacciones sol-gel asistidas, se aplican ultrasonidos a los precursores. Los materiales resultantes con nuevas características se conocen como sonogeles. Debido a la ausencia de disolvente adicional en combinación con los ultrasonidos cavitaciónEn el caso de los sonogeles, se crea un entorno único para las reacciones sol-gel, lo que permite la formación de características particulares en los geles resultantes: alta densidad, textura fina, estructura homogénea, etc. Estas propiedades determinan la evolución de los sonogeles en el procesamiento posterior y la estructura final del material. [Blanco et al. 1999]
Suslick y Price (1999) muestran que la irradiación ultrasónica de Si(OC₂H₅)₄ en agua con un catalizador ácido produce un "sonogel" de sílice. En la preparación convencional de geles de sílice a partir de Si(OC₂H₅)₄El etanol es un co-disolvente comúnmente utilizado debido a la no solubilidad del Si(OC₂H₅)₄ en agua. El uso de este tipo de disolventes suele ser problemático, ya que pueden provocar grietas durante la fase de secado. La ultrasonicación proporciona una mezcla muy eficaz que permite evitar los co-solventes volátiles, como el etanol. El resultado es un sono-gel de sílice caracterizado por una mayor densidad que los geles producidos convencionalmente. [Suslick et al. 1999, 319s.]
Los aerogeles convencionales consisten en una matriz de baja densidad con grandes poros vacíos. Los sonogeles, en cambio, tienen una porosidad más fina y los poros son bastante esféricos, con una superficie lisa. Las pendientes superiores a 4 en la región de ángulo alto revelan importantes fluctuaciones de densidad electrónica en los límites poro-matriz [Rosa-Fox et al. 1990].
Las imágenes de la superficie de las muestras de polvo muestran claramente que el uso de ondas ultrasónicas produjo una mayor homogeneidad en el tamaño medio de las partículas y dio lugar a partículas más pequeñas. Debido a la sonicación, el tamaño medio de las partículas disminuye en aproximadamente 3 nm. [Milani et al. 2011]
Los efectos positivos de los ultrasonidos se han demostrado en diversos estudios de investigación. Por ejemplo, Neppolian et al. informan en su trabajo de la importancia y ventajas de la ultrasonicación en la modificación y mejora de las propiedades fotocatalíticas de partículas mesoporosas de TiO2 de tamaño nanométrico. [Neppolian et al. 2008].

Nanorrevestimiento mediante reacción sol-gel por ultrasonidos

Por nanorrevestimiento se entiende el recubrimiento de un material con una capa nanométrica o la cobertura de una entidad nanométrica. De este modo se obtienen estructuras encapsuladas o con núcleo. Estos nanocompuestos presentan propiedades físicas y químicas de alto rendimiento debido a la combinación de características específicas y/o efectos estructurantes de los componentes.
A modo de ejemplo, se mostrará el procedimiento de recubrimiento de partículas de óxido de indio y estaño (ITO). Las partículas de ITO se recubren con sílice en un proceso de dos pasos, como se muestra en un estudio de Chen (2009). En el primer paso químico, el polvo de óxido de indio y estaño se somete a un tratamiento con aminosilano. El segundo paso es el recubrimiento de sílice bajo ultrasonidos. Para dar un ejemplo específico de la sonicación y sus efectos, a continuación se resume el paso del proceso presentado en el estudio de Chen:
Un proceso típico para este paso es el siguiente: 10g de GPTS se mezclaron lentamente con 20g de agua acidificada con ácido clorhídrico (HCl) (pH = 1,5). A continuación, se añadieron a la mezcla 4 g del mencionado polvo tratado con aminosilano, contenido en una botella de vidrio de 100 ml. A continuación, el frasco se colocó bajo la sonda del sonicador para una irradiación ultrasónica continua con una potencia de salida de 60 W o superior.
La reacción sol-gel se inició después de aproximadamente 2-3 minutos de irradiación ultrasónica, tras lo cual se generó espuma blanca, debido a la liberación de alcohol tras la hidrólisis extensiva de GLYMO (3-(2,3-Epoxipropoxi)propiltrimetoxisilano). Se aplicó sonicación durante 20min, tras lo cual se agitó la solución durante varias horas más. Una vez finalizado el proceso, las partículas se recogieron por centrifugación y se lavaron repetidamente con agua, después se secaron para su caracterización o se mantuvieron dispersas en agua o disolventes orgánicos. [Chen 2009, p.217]