Сонохімічний вплив на золь-гель процеси

УЗД високої потужності

Ультразвук високої потужності та низької частоти має високий потенціал для хімічних процесів. При введенні інтенсивних ультразвукових хвиль в рідке середовище відбувається чергування циклів високого і низького тиску зі швидкостями в залежності від частоти. Цикли високого тиску означають стиснення, тоді як низькочастотні цикли означають розрідження середовища. Під час циклу низького тиску (розрідження) ультразвук високої потужності створює в рідині невеликі вакуумні бульбашки. Ці вакуумні бульбашки ростуть протягом декількох циклів.
Відповідно до інтенсивності ультразвуку, рідина в різному ступені стискається і розтягується. Це означає, що Кавітації Бульбашки можуть вести себе двома способами. При низьких інтенсивностях ультразвуку ~1-3 Вт см^-2, кавітаційні бульбашки коливаються приблизно в деякому розмірі рівноваги протягом багатьох акустичних циклів. Це явище називається стійкою кавітацією. При високій інтенсивності ультразвуку (≤10 Вт см^-2) кавітаційні бульбашки утворюються протягом декількох акустичних циклів радіусом принаймні вдвічі більше свого початкового розміру і руйнуються в точці стиснення, коли бульбашка не може поглинути більше енергії. Це називається перехідною або інерційною кавітацією. Під час імплозії бульбашок локально виникають так звані гарячі точки, які характеризуються екстремальними умовами: під час імплозії досягаються локально дуже високі температури (приблизно 5000 К) і тиск (приблизно 2 000 атм). Імплозія кавітаційного міхура також призводить до утворення струменів рідини зі швидкістю до 280 м/с, які діють як дуже високі сили зсуву. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009]

Мезопористий TiO₂ за допомогою ультразвукового золь-гель синтезу

Мезопористий TiO₂ Widley використовується як фотокаталізатор, а також в електроніці, сенсорних технологіях та відновленні навколишнього середовища. Для оптимізації властивостей матеріалів він спрямований на виробництво TiO₂ з високою кристалічністю і великою площею поверхні. Ультразвуковий золь-гель маршрут має ту перевагу, що внутрішні та зовнішні властивості TiO₂, такі як розмір частинок, площа поверхні, об'єм пор, діаметр пор, кристалічність, а також співвідношення фаз анатазу, рутилу та брукіта можна впливати за допомогою контролю параметрів.
Milani et al. (2011) продемонстрували синтез TiO₂ наночастинки анатазу. Тому процес золь-гель був застосований до TiCl₄ Порівнювалися прекурсор і обидва способи, з ультразвуком і без нього. Результати показують, що ультразвукове опромінення монотонно впливає на всі компоненти розчину, виготовленого золь-гель методом і викликає розрив пухких ланок великих нанометричних колоїдів в розчині. Таким чином, створюються більш дрібні наночастинки. Локально виникаючі високі тиски і температури розривають зв'язки в довгих полімерних ланцюгах, а також слабкі ланки, що зв'язують більш дрібні частинки, в результаті чого утворюються більші колоїдні маси. Порівняння обох TiO₂ зразки, в присутності і при відсутності ультразвукового опромінення, показані на знімках SEM нижче (див. Рис. 2).

Пік. 2: SEM-зображення TiO2 pwder, кальцинованого при 400 °C протягом 1 год і час желатинізації 24 год: (a) у присутності та (b) за відсутності ультразвуку. [Milani et al. 2011]

Крім того, хімічні реакції можуть виникати під впливом сонохімічних ефектів, до яких належать, наприклад, розрив хімічних зв'язків, значне посилення хімічної реакційної здатності або молекулярна деградація.

Соно-гелі

В Соно-каталітично На прекурсори наноситься допоміжні золь-гель реакції, ультразвук. Отримані матеріали з новими характеристиками відомі як соногелі. Завдяки відсутності додаткового розчинника в поєднанні з ультразвуковим Кавітаціїстворюється унікальне середовище для золь-гель реакцій, що дозволяє формувати в одержуваних гелях особливі особливості: високу щільність, тонку текстуру, однорідну структуру і т.д. Ці властивості визначають еволюцію соногелів при подальшій обробці та кінцеву структуру матеріалу. [Blanco et al. 1999]
Суслік і Прайс (1999) показують, що ультразвукове опромінення Si(OC₂H₅)₄ У воді з кислотним каталізатором утворюється кремнеземистий «соногель». При звичайному приготуванні силікагелів з Si(OC₂H₅)₄, етанол є широко використовуваним співрозчинником через нерозчинність Si(OC₂H₅)₄ у воді. Використання таких розчинників часто є проблематичним, оскільки вони можуть спричинити розтріскування на етапі сушіння. Ультразвук забезпечує високоефективне змішування, що дозволяє уникнути летких співрозчинників, таких як етанол. В результаті виходить кремнеземистий соно-гель, що характеризується більш високою щільністю, ніж гелі, що випускаються традиційним способом. [Suslick et al. 1999, 319 і далі.]
Звичайні аерогелі складаються з матриці низької щільності з великими порожніми порами. Соногелі, навпаки, мають більш дрібну пористість, а пори досить кулясті, з гладкою поверхнею. Нахили більше 4 в області високого кута виявляють важливі флуктуації електронної щільності на кордонах пори і матриксу [Rosa-Fox et al., 1990].
Зображення поверхні зразків порошку ясно показують, що використання ультразвукових хвиль призводило до більшої однорідності середнього розміру частинок і призводило до утворення більш дрібних частинок. Завдяки ультразвуку середній розмір частинок зменшується приблизно на 3 нм. [Milani et al. 2011]
Позитивний вплив ультразвуку доведено в різних наукових дослідженнях. Наприклад, повідомляють Neppolian et al. у своїй роботі про важливість та переваги ультразвуку в модифікації та покращенні фотокаталітичних властивостей мезопористих нанорозмірних частинок TiO2. [Непполян та ін., 2008]

Нанопокриття за допомогою ультразвукової золь-гель реакції

Під нанопокриттям мається на увазі покриття матеріалу наномасштабним шаром або покриттям нанорозмірної сутності. Таким чином отримують інкапсульовані або серцевинні структури. Такі нанокомпозити мають фізичні та хімічні високі експлуатаційні властивості завдяки комбінованим специфічним характеристикам та/або структурним ефектам компонентів.
На прикладі буде продемонстрована процедура нанесення частинок оксиду олова індію (ITO). Частинки ITO покриваються кремнеземом у двоетапному процесі, як показано в дослідженні Chen (2009). На першому хімічному етапі порошок оксиду олова індію проходить обробку аміносиланом. Другим етапом є покриття кремнеземом під ультразвуковим покриттям. Щоб навести конкретний приклад ультразвуку та його наслідків, етап процесу, представлений у дослідженні Чена, узагальнений нижче:
Типовий процес для цього етапу виглядає наступним чином: 10 г ГПТС повільно змішували з 20 г води, підкисленої соляною кислотою (HCl) (рН = 1,5). Потім до суміші було додано 4 г вищезазначеного порошку, обробленого аміносиланом, що міститься у скляній пляшці об'ємом 100 мл. Потім пляшку помістили під зонд ультразвукового апарату для безперервного ультразвукового опромінення з вихідною потужністю 60 Вт або вище.
Золь-гель реакцію розпочинали після приблизно 2-3 хв ультразвукового опромінення, після чого утворювалася біла піна внаслідок виділення спирту при інтенсивному гідролізі GLYMO (3-(2,3-епоксидного) пропілтриметоксісилана). Ультразвук застосовувався на 20хв, після чого розчин перемішували ще кілька годин. Після завершення процесу частинки збирали центрифугуванням і багаторазово промивали водою, а потім або сушили для характеристики, або зберігали диспергованими у воді або органічних розчинниках. [Чень 2009, стор.217]