Sonochimie pour les Procédés Sol-Gel

Haute puissance par ultrasons

Haute puissance, ultrasons basse fréquence offre un potentiel élevé pour les procédés chimiques. Lorsque des ondes ultrasonores intenses sont introduits dans un milieu liquide, en alternance à haute pression et des cycles à basse pression avec des taux en fonction de la fréquence se produisent. cycles à haute pression moyenne compression, tandis que les cycles à faible fréquence moyenne raréfaction du milieu. Pendant le cycle à basse pression (raréfaction), haute ultrasons de puissance crée des petites bulles de vide dans le liquide. Ces bulles de vide se développent sur plusieurs cycles.
En conséquence de l'intensité des ultrasons, le liquide comprime et étire à des degrés divers. Cela signifie que le cavitation bulles peuvent se comporter de deux façons. A faible intensité ultrasoniques de ~ 1-3Wcm^-2, les bulles de cavitation oscillent autour de la taille d'équilibre pour de nombreux cycles acoustiques. Ce phénomène est appelé cavitation stable. À des intensités ultrasoniques élevées (≤10Wcm^-2) Les bulles de cavitation sont formées dans les quelques cycles acoustiques à un rayon d'au moins deux fois leur taille initiale et l'effondrement à un point de compression lorsque la bulle ne peut pas absorber plus d'énergie. Ceci est appelé cavitation transitoire ou d'inertie. Au cours de l'implosion de la bulle, localement ce qu'on appelle des points chauds se produisent, qui présentent des conditions extrêmes: Au cours de l'implosion, localement des températures très élevées (.) Et environ 5.000 K pressions (. Environ 2,000atm) sont atteintes. L'implosion de la bulle de cavitation se traduit également par des jets de liquide allant jusqu'à 280 m / s la vitesse, qui agissent comme de très hautes forces de cisaillement. [Suslick 1998 / Santos et al. 2009]

mésoporeux TiO₂ par l'intermédiaire d'ultrasons Sol-Gel Synthèse

mésoporeux TiO₂ est Widley utilisé comme photocatalyseur, ainsi que dans l'électronique, la technologie des capteurs et assainissement de l'environnement. Pour les propriétés des matériaux optimisés, il est destiné à produire TiO₂ avec une cristallinité élevée et de grande surface. La voie sol-gel assisté par ultrasons présente l'avantage que les propriétés intrinsèques et extrinsèques de TiO₂, Tels que la taille des particules, la surface spécifique, volume de pores, des pores de diamètre, la cristallinité ainsi que anatase, rutile et brookite rapports de phase peut être influencé par le contrôle des paramètres.
Milani et al. (2011) ont démontré la synthèse de TiO₂ nanoparticules anatase. Par conséquent, le processus sol-gel a été appliqué au TiCl₄ précurseur et dans les deux sens, avec et sans traitement aux ultrasons, ont été comparés. Les résultats montrent que l'irradiation par ultrasons ont un effet monotone sur tous les composants de la solution obtenue par le procédé sol-gel et provoquer la rupture des liens lâches de grands colloïdes nanométriques en solution. Ainsi, les petites nanoparticules sont créées. Les produisant localement pressions et températures élevées cassent les liaisons à longues chaînes de polymères, ainsi que les liaisons faibles de liaison de particules plus petites, par lequel des masses colloïdales plus grandes sont formées. La comparaison des deux TiO₂ échantillons, en présence et en l'absence d'irradiation par ultrasons, est représenté sur les images SEM (voir ci-dessous Pic. 2).

Pic. 2: les images SEM de TiO2 pwder, calciné à 400 degrés C pour un temps de 1 h et 24 h gélatinisation de: (a) en présence de (b) en l'absence d'ultrasons. [Milani et al. 2011]

En outre, des réactions chimiques peuvent bénéficier des effets sonochimiques, qui comprennent par exemple la rupture des liaisons chimiques, une amélioration significative de la réactivité chimique ou une dégradation moléculaire.

Sono-Gels

Dans catalytiquement sono assistées réactions sol-gel, les ultrasons sont appliqués aux précurseurs. Les matériaux obtenus avec de nouvelles caractéristiques sont connues sous le nom sonogels. En raison de l'absence de solvant supplémentaire en combinaison avec le ultrasonique cavitation, Un environnement unique pour les réactions sol-gel est créé, ce qui permet la formation de fonctions particulières dans les gels obtenus: haute densité, texture fine, la structure homogène etc. Ces propriétés déterminent l'évolution des sonogels sur le traitement ultérieur et la structure de matériau final . [Blanco et al. 1999]
Suslick et prix (1999) montrent que l'irradiation ultrasonique de Si (OC₂H₅)₄ dans de l'eau avec un catalyseur acide produit une silice « sonogel ». Dans la préparation classique de gels de silice de Si (OC₂H₅)₄, L'éthanol est couramment utilisé co-solvant en raison de la non-solubilité du Si (OC₂H₅)₄ dans l'eau. L'utilisation de tels solvants est souvent problématique, car ils peuvent provoquer des fissures lors de l'étape de séchage. Ultrasonication fournit un mélange très efficace de sorte que les co-solvants volatils tels que l'éthanol peuvent être évités. Il en résulte une silice sono-gel, caractérisé par une densité plus élevée que les gels produits de manière conventionnelle. [Suslick et al. 1999, 319F.]
aérogels classiques sont constitués d'une matrice de faible densité avec de grands pores vides. Les sonogels, en revanche, ont une porosité plus fine et les pores sont en forme de sphère tout à fait, avec une surface lisse. Pentes supérieures à 4 dans la région de l'angle élevé révèlent des fluctuations importantes de la densité électronique sur les limites de matrice de pores [Rosa-Fox et al. 1990].
Les images de la surface des échantillons de poudre montrent clairement que l'utilisation des ondes ultrasonores ont donné lieu à une plus grande homogénéité de la taille moyenne des particules et conduit à des particules plus petites. En raison de la sonication, la taille moyenne des particules diminue d'env. 3 nm. [Milani et al. 2011]
Les effets positifs de l'échographie ont fait leurs preuves dans diverses études de recherche. Par exemple, un rapport Neppolian et al. dans leur travail l'importance et les avantages de ultrasonication dans la modification et l'amélioration des propriétés photocatalytiques des particules de TiO2 nanométriques mésoporeux. [Neppolian et al. 2008]

Nanorevêtement par réaction sol-gel à ultrasons

Nanocoating signifie matériau de couverture avec une couche nanométrique ou la couverture d'une entité de taille nanométrique. Ainsi, des structures encapsulées ou core-shell sont obtenues. Ces nanocomposites présentent des propriétés physiques et chimiques de haute performance en raison de caractéristiques spécifiques combinées et / ou d'effets structurants des composants.
À titre d'exemple, la procédure de revêtement des particules d'oxyde d'indium-étain (ITO) sera démontrée. Les particules d'ITO sont recouvertes de silice dans un processus en deux étapes, comme indiqué dans une étude de Chen (2009). Dans la première étape chimique, la poudre d'oxyde d'indium et d'étain subit un traitement par aminosilane. La deuxième étape est le revêtement de silice sous ultrasonication. Pour donner un exemple spécifique de sonication et de ses effets, l'étape du processus présentée dans l'étude de Chen est résumée ci-dessous:
Un procédé typique pour cette étape est le suivant: on mélange lentement 10 g de GPTS avec 20 g d'eau acidifiée par de l'acide chlorhydrique (HCl) (pH = 1,5). On a ensuite ajouté au mélange 4 g de ladite poudre traitée à l'aminosilane, contenue dans une bouteille en verre de 100 ml. La bouteille a ensuite été placée sous la sonde du sonicateur pour une irradiation ultrasonore continue avec une puissance de sortie de 60 W ou plus.
réaction sol-gel a été initiée après irradiation par ultrasons environ 2-3min, sur laquelle a été générée une mousse blanche, en raison de la libération de l'alcool lors de l'hydrolyse complète de GLYMO (3- (2,3-époxypropoxy) propyltriméthoxysilane). Sonication a été appliquée pendant 20 minutes, après quoi on a agité la solution pendant plusieurs heures. Une fois que le processus a été terminé, les particules ont été recueillies par centrifugation et ont été lavées à plusieurs reprises avec de l'eau puis séché soit maintenu pour la caractérisation ou dispersé dans l'eau ou des solvants organiques. [Chen 2009, p.217]