SONOCHEMICAL ietekme uz Sol-Gel procesiem

Lieljaudas ultraskaņa

Lieljaudas, zemas frekvences ultraskaņa piedāvā augstu ķīmisko procesu potenciālu. Kad intensīva ultraskaņas viļņi ievada šķidrā vidē, pārmaiņus augsta spiediena un zema spiediena cikli ar likmēm atkarībā no frekvences notiek. Augsta spiediena cikli nozīmē kompresiju, bet zemfrekvences cikli nozīmē nesēja rareslīpēšanu. Zema spiediena (rarefaction) cikla laikā lieljaudas ultraskaņa rada nelielus vakuuma burbuļus šķidrumā. Šie vakuuma burbuļi aug vairākos ciklos.
Līdz ar ultraskaņas intensitāti, šķidrums saspiež un stiepjas dažādās pakāpēs. Tas nozīmē, ka kavitācija burbuļi var darboties divos veidos. Ar zemu ultraskaņas intensitāti ~ 1-3Wcm^-2, Kavitāciju burbuļi svārstīties par kādu līdzsvara izmēru daudziem akustisko ciklu. Šo parādību dēvē par stabilu kavitāciju. Ar augstu ultraskaņas intensitāti (≤ 10Wcm^-2) KAVITĀCIJAS burbuļi veidojas dažu akustisko ciklu rādiusā vismaz divas reizes to sākotnējā izmēra un sabrukuma saspiešanas punktā, kad burbulis nevar absorbēt vairāk enerģijas. To dēvē par pārejošu vai inerciālo kavitāciju. Laikā burbulis implosion, vietēji tā saucamie karstie punkti notiek, kas iezīme ekstremāli apstākļi: laikā sabrukums, vietēji ļoti augstas temperatūras (apm. 500000K) un spiedieni (apm. 2, 000atm) ir sasniegti. No kavitāciju burbuļa sabrukums izraisa arī šķidro strūklu līdz 280M/s ātrumu, kas darbojas kā ļoti liels bīdes spēki. [Suslick 1998/Santos et al. 2009]

Mesoporous TiO₂ izmantojot ultraskaņas Sol-Gel sintēzi

Mesoporous TiO₂ ir WIDLEY izmanto kā fotokatalizators, kā arī elektronikas, sensoru tehnoloģiju un vides attīrīšanas. Optimizētas materiālu īpašības, tā mērķis ir ražot TiO₂ ar augstu kristāliskumu un lielu virsmas laukumu. Ar ultraskaņas palīdzību Sol-Gel maršruts ir priekšrocība, ka raksturīgās un ārējie īpašības TiO₂, piemēram, daļiņu izmēru, virsmas laukumu, poru tilpumu, poru diametru, kristāliskumu, kā arī anatāzi, rutila un brookītu fāzes pārnesumskaitļus var ietekmēt, kontrolējot parametrus.
Milani et al. (2011) ir pierādījuši TiO sintēzi₂ un anatāza nanodaļiņām. Tāpēc Sol-Gel process tika piemērots, lai TiCl₄ prekursoru un abos virzienos, ar un bez ultrasonication, ir salīdzinātas. Rezultāti liecina, ka ultraskaņas apstarošana ir monotons efekts uz visām sastāvdaļām šķīduma, ko Sol-Gel metodi un izraisīt pārrāvuma vaļēju saites lielu nanometrisko koloīdu šķīdumā. Tādējādi tiek radītas mazākas nanodaļiņas. Lokāli notiek augsta spiediena un temperatūras pauze galvojumu ilgi polimēru ķēdēm, kā arī vāju saites saistošu mazākas daļiņas, ar kuru lielāku koloidāls masas veidojas. Salīdzinājums gan TiO₂ paraugos, kas ir klāt un bez ultraskaņas apstarošanas, ir redzams zemāk redzamajā SEM attēlā (skatīt 2. att.).

Pic. 2: SEM attēlus TiO2 pwder, kalcinēts pie 400 degc 1h un gelatinization laiks 24h: () klātbūtnē un (b), ja nav ultraskaņas. [Milani et al. 2011]

Turklāt ķīmiskās reakcijas var gūt labumu no SONOCHEMICAL ietekmi, kas ietver, piemēram, salaušana ķīmisko obligāciju, ievērojami uzlabot ķīmiskās reaktivitāti vai molekulāro noārdīšanos.

Sono-želejas

Collas Sono-kataliztically atbalstītas Sol-Gel reakcijas, ultraskaņa tiek uzklātas prekursoriem. Iegūtie materiāli ar jaunām īpašībām ir pazīstami kā sonogels. Sakarā ar to, ka nav papildu šķīdinātāja kombinācijā ar ultraskaņas kavitācijair radīta unikāla vide Sol-Gel reakcijām, kas ļauj veidot īpašas iezīmes iegūtajos gēli: augsts blīvums, smalka tekstūra, viendabīga struktūra utt. Šīs īpašības nosaka attīstību sonogels par turpmāku pārstrādi un gala materiāla struktūru. [Blanco et al. 1999]
Suslick un Price (1999) liecina, ka ultraskaņas apstarošana SI (OC₂H₅)₄ ūdenī ar skābes katalizatoru ražo kvarca "sonogel". Tradicionālajā silīcija dioksīda gēlu pagatavošanā no SI (OC₂H₅)₄etanols ir plaši lietots līdzšķīdinātājs, jo nav šķīdība SI (OC₂H₅)₄ ūdenī. Šādu šķīdinātāju izmantošana ir bieži problemātiska, jo tie var izraisīt plaisāšanu žāvēšanas posmā. Ultrasonication nodrošina ļoti efektīvu sajaukšanu tā, lai var izvairīties no gaistošiem līdzšķīdinātājiem, tādiem kā etanols. Tā rezultātā silīcija dioksīda Sono-Gel raksturo augstāku blīvumu nekā tradicionāli ražoti želejas. [Suslick et al. 1999, 319f.]
Konvencionālie aerogelus sastāv no zema blīvuma matricas ar lielām, tukšām porām. Sonogels, pretēji, ir smalkāka porainība un poras ir diezgan sfēras formas, ar gludu virsmu. Nogāzes, kas ir lielākas par 4 ar augstu leņķi reģionā atklāj svarīgu elektronisko blīvumu svārstības uz poru matricas robežas [Rosa-Fox et al. 1990].
Pulvera paraugu virsmas attēlos skaidri redzams, ka, izmantojot ultraskaņas viļņus, daļiņu vidējais izmērs ir viendabīgāka, un tā rezultātā daļiņas ir mazākas. Ultraskaņas apstrādes dēļ vidējais daļiņu izmērs samazinās par aptuveni 3 nm. [Milani et al. 2011]
Pozitīvā ietekme ultraskaņu ir pierādīta dažādos pētījumos. Piemēram, ziņojums Neppolian et al. savā darbā nozīme un priekšrocības ultrasonication, pārveidojot un uzlabojot fotokatalītiskās īpašības mezolozi Nano-Size TiO2 daļiņas. [Neppolian et al. 2008]

Nanopārklājums, izmantojot ultraskaņas Sol-Gel reakciju

Nanopārklājums nozīmē, ka materiāls ir pārklāts ar nano-mērogotu slāni vai nanoizmēra vienības pārklājumu. Tādējādi iekapsulētās vai galvenās čaulas konstrukcijas ir iegūtas. Šādiem Nano kompozītiem ir fizikālās un ķīmiskās augstas veiktspējas īpašības, ko rada kombinēti specifiski raksturlielumi un/vai komponentu strukturēšanas efekti.
Par paraugu tiek demonstrēta pārklāšanas procedūra ar Indija alvas oksīda (ITO) daļiņām. ITO daļiņas ir pārklātas ar silīcija dioksīda divu soļu procesā, kā parādīts pētījumā Chen (2009). Pirmajā ķīmiskajā posmā Indiāna alvas oksīda pulverim tiek veikta aminosilānu ārstēšana. Otrais solis ir silīcija pārklājums ultrasonication. Lai sniegtu konkrētu piemēru ultraskaņu un tās ietekmi, process solis iesniegts Chen pētījumā, ir apkopoti turpmāk:
Tipisks process šim solim ir šāds: 10g GPTS lēnām sajauc ar 20 g ūdens, kas paskābināts ar sālsskābi (HCl) (pH = 1,5). pirms tam maisījumā ar 100 ml stikla pudelīti pievienoja ar iepriekšminēto aminosilānu apstrādātu pulveri. Pudele pēc tam tika likts zem zondes sonikators nepārtrauktai ultraskaņas apstarošana ar izejas jaudu 60w vai vairāk.
Sol-Gel reakcija tika uzsākta pēc aptuveni 2-3min ultraskaņas apstarošanu, uz kuras tika radītas baltas putas, sakarā ar atbrīvošanu no alkohola pēc plašas hidrolīzes no GLYMO (3-(3,2-Epokspropoksīda) propiltrimetoksilāns). Sonication tika piemērots 20min, pēc kura risinājums bija maisa vairākas stundas. Kad process bija pabeigts, daļiņas tika savāktas, centrifugējot, un tika atkārtoti mazgāti ar ūdeni, tad vai nu kaltēti raksturošanai, vai arī tur izkliedētas ūdenī vai organiskos šķīdinātājos. [Chen 2009, p. 217]