Efek Sonokimia pada Proses Sol-Gel (Metode Pembentukan Bahan padat dari Molekul yang Kecil)

Nanorpartikel yang berukuran sangat kecil partikel berbentuk bola, pelapis film tipis, serat, bahan berpori dan padat, serta aerogel dan xerogel yang sangat berpori merupakan bahan tambahan yang sangat potensial untuk pengembangan dan produksi bahan berkinerja tinggi. Materi yang lebih majumis. Keramik, aerogel ultralight berpori, dan hibrida organik-anorganik dapat disintesis dari suspensi koloid atau polimer dalam cairan melalui metode sol-gel. Materi tersebut menunjukkan karakteristik yang unik, karena partikel sol yang dihasilkan berkisar dalam ukuran nanometer. Dengan demikian, proses sol-gel adalah bagian dari nanokimia.
Selanjutnya, sintesis bahan berukuran nano melalui ultrasonikasi membantu peninjauan sol-gel routes

Proses Sol-Gel

Langka-langkah berikut yang terkait dengan proses sol-gel

1. membuat sol atau pengendapan bubuk, gelling sol di cetakan atau pada substrat (dalam kasus film), atau membuat sol kedua dari pengendapan bubuk dan gelation nya, atau membentuk bubuk ke dalam tubuh oleh non-gel routes;
2. pengeringan;
3. firing dan sintering. [Rabinovich 1994]

Tabel 1: Langkah Sol-Gel sintesis dan proses downstream

Proses sol-gel adalah teknik sintesis kimia basah untuk pembuatan jaringan terpadu (gel yang disebut) oksida logam atau polimer hibrida. Sebagai prekursor, umumnya garam logam anorganik seperti logam klorida dan senyawa logam organik seperti alkoksida logam digunakan. Sol – terdiri dalam suspensi prekursor – mengubah sistem diphasic gel seperti yang terdiri dalam fase padat maupun cair. Reaksi kimia yang terjadi selama proses sol-gel adalah hidrolisis, Poli-kondensasi, dan gelation.
Selama hidrolisis dan poli-kondensasi, koloid (sol), yang terdiri dari nanopartikel yang terdispersi dalam pelarut, terbentuk. Fasa sol yang ada berubah menjadi gel.
Fase gel yang dihasilkan dibentuk oleh partikel yang ukuran dan pembentukannya dapat sangat bervariasi dari partikel koloid diskrit hingga polimer seperti rantai kontinu. Bentuk dan ukurannya tergantung pada kondisi kimia. Dari pengamatan pada alcogel SiO2 secara umum dapat disimpulkan bahwa sol yang dikatalisis basa menghasilkan spesies diskrit yang dibentuk oleh agregasi gugus monomer, yang lebih kompak dan sangat bercabang. Mereka dipengaruhi oleh sedimentasi dan gaya gravitasi.
Asam-dikatalisasi sols berasal dari rantai polimer yang sangat rumit yang menunjukkan struktur mikro yang sangat halus dan pori-pori sangat kecil yang tampak cukup seragam di seluruh material. Pembentukan jaringan kontinyu yang lebih terbuka dari polimer dengan densitas rendah menunjukkan keuntungan tertentu berkenaan dengan sifat fisik dalam pembentukan kaca kinerja tinggi dan komponen kaca / keramik dalam 2 dan 3 dimensi. [Sakka dkk. 1982]
Dalam langkah pemrosesan lebih lanjut, dengan pelapisan putar atau pelapisan celup dimungkinkan untuk melapisi substrat dengan film tipis atau dengan melemparkan sol ke dalam cetakan, untuk membentuk apa yang disebut gel basah. Setelah pengeringan dan pemanasan tambahan, bahan padat akan diperoleh.
Dalam langkah selanjutnya dari downstream, gel yang diperoleh dapat diproses lebih lanjut. Melalui presipitasi, teknik pirolisis semprot, atau teknik emulsi, ultrafine dan serbuk seragam dapat terbentuk. Atau disebut aerogel, yang ditandai dengan porositas tinggi dan kerapatan sangat rendah, dapat dibuat dengan ekstraksi fase cair gel basah. Oleh karena itu, kondisi supercritical biasanya sangat dibutuhkan.

Tabel 2: Sol-gel ultrasonik sintesis mesoporous TiO2 [Yu et al., Chem. Commun. 5 Agustus 2003, 2078]

Ultrasound Daya Tinggi dan Efek Sonokimianya

Kekuatan ultrasonik yang besar, dengan frekuensi yang render menawarkan potensial yang besar untuk proses kimia. Saat gelombak ultrasonik marambat ke dalam cairan, tekanan tinggi secara bergantian dan siklus bertekanan rendah yang terjadi tergantung pada tingiam frekuensi. Siklus tekanan tinggi berarti kompresi, sementara siklus frekuensi rendah berarti pecahan medium. Selama siklus tekanan rendah (rarefaction), ultrasound daya tinggi menciptakan gelembung vakum kecil dalam cairan. Gelembung vakum ini tumbuh selama beberapa siklus.
Sesuai dengan intensitas ultrasound, cairan memampatkan dan meregang ke berbagai tingkatan. Ini berarti gelembung kavitasi dapat berperilaku dalam dua cara. Pada intensitas ultrasonik rendah sekitar 1-3 W/cm², gelembung kavitasi berosilasi di sekitar ukuran kesetimbangan untuk banyak siklus akustik. Fenomena ini disebut kavitasi stabil. Pada intensitas ultrasonik yang lebih tinggi (hingga 10 W / cm²), gelembung kavitasi terbentuk dalam beberapa siklus akustik, mencapai jari-jari setidaknya dua kali ukuran awalnya sebelum runtuh pada titik kompresi ketika gelembung tidak dapat lagi menyerap energi. Ini disebut kavitasi transien atau inersia. Selama ledakan gelembung, titik panas yang disebut secara lokal terjadi, menampilkan kondisi ekstrem: suhu yang sangat tinggi (sekitar 5.000 K) dan tekanan (sekitar 2.000 atm) tercapai. Ledakan gelembung kavitasi juga menghasilkan jet cair dengan kecepatan hingga 280 m/s, yang menciptakan gaya geser yang sangat tinggi. [Suslick 1998 / Santos dkk. 2009]

Sono-Ormosil

Sonikasi adalah alat yang efisien untuk sintesis polimer. Selama dispersi ultrasonik dan deaglomerasi, gaya geser kaviasi, yang meregang dan memutus rantai molekul dalam proses non-acak, menghasilkan penurunan berat molekul dan poli-dispersitas. Selain itu, sistem multi-fase sangat efisien terdispersi dan diemulsi, sehingga campuran yang sangat halus disediakan. Ini berarti bahwa ultrasound meningkatkan laju polimerisasi dibandingkan pengadukan konvensional dan menghasilkan berat molekul yang lebih tinggi dengan polidispersitas yang lebih rendah.
Ormosil (silikat yang dimodifikasi secara organik) diperoleh saat silan ditambahkan ke silika yang diturunkan dari gel selama proses sol-gel. Produk ini adalah komposit skala molekuler dengan sifat mekanik yang lebih baik. Sono-Ormosils ditandai dengan kerapatan yang lebih tinggi daripada gel klasik dan juga stabilitas termal yang lebih baik. Oleh karena itu, penjelasannya mungkin adalah tingkat polimerisasi yang meningkat. [Rosa-Fox et al. 2002]

TiO2 Mesoporous melalui Sintesis Sol-Gel Ultrasonik

Mesoporous TiO2 digunakan sebagai fotokatalis serta dalam elektronik, teknologi sensor, dan remediasi lingkungan. Untuk sifat material yang dioptimalkan, bertujuan untuk menghasilkan TiO2 dengan kristalinitas tinggi dan luas permukaan yang besar. Rute sol-gel berbantuan ultrasonik memiliki keunggulan bahwa sifat intrinsik dan ekstrinsik TiO2, seperti ukuran partikel, luas permukaan, volume pori-pori, diameter pori-pori, kristalinitas serta rasio fase anatase, rutil dan brookite dapat dipengaruhi dengan mengontrol parameter.
Milani et al. (2011) telah menunjukkan sintesis nanopartikel anatase TiO2. Oleh karena itu, proses sol-gel diterapkan pada prekursor TiCl4 dan kedua cara, dengan dan tanpa ultrasonikasi, telah dibandingkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa iradiasi ultrasonik memiliki efek monoton pada semua komponen larutan yang dibuat dengan metode sol-gel dan menyebabkan putusnya tautan longgar koloid nanometrik besar dalam larutan. Dengan demikian, nanopartikel yang lebih kecil tercipta. Tekanan dan suhu tinggi yang terjadi secara lokal memutus ikatan dalam rantai polimer panjang serta tautan lemah yang mengikat partikel yang lebih kecil, di mana massa koloid yang lebih besar terbentuk. Perbandingan kedua sampel TiO2, dengan adanya dan tanpa adanya iradiasi ultrasonik, ditunjukkan pada gambar SEM di bawah ini (lihat Gambar 2).
 

Pic. 2: SEM images of TiO2 pwder, calcinated at 400 degC for 1h and gelatinization time of 24h: (a) in the presence of and (b) in the absence of ultrasound. [Milani et al. 2011] Read more: https://www.hielscher.com/id/sonochemical-effects-on-sol-gel-processes.htm?tpedit=1#43718

Selain itu, keuntungan dari efek sonochemical dalam reaksi kimia, meliputi Kerusakan ikatan kimia, peningkatan signifikan dari reaktivitas kimia atau degradasi molekul.

Kesimpulan

Penerapan ultrasound pada proses sol-gel menyebabkan pencampuran yang lebih baik dan deaglomerasi partikel. Hal ini menghasilkan ukuran partikel yang lebih kecil, bulat, bentuk partikel berdimensi rendah dan morfologi yang disempurnakan. Yang disebut sono-gel ditandai dengan kerapatan serta strukturnya yang halus dan homogen. Fitur-fitur ini diciptakan karena penghindaran penggunaan pelarut selama pembentukan sol, tetapi juga, dan terutama, karena keadaan cross-link awal retikulasi yang diinduksi oleh ultrasound. Setelah proses pengeringan, sonogels yang dihasilkan menyajikan struktur partikulat, tidak seperti yang lain tanpa menerapkan ultrasound, yang berserabut. [Esquivias et al. 2004]
Telah dibuktikan bahwa penggunaan ultrasonik dengan intensitas yang besar memungkinkan untuk menyesuiakan keunikan material dari proses sol-gel. Hali ini membuat ultrasonik intensitas besar sebagai alat yang handal untuk pengembangan penelitian kimia dan material.