Hiệu ứng Sonochemical trên quá trình Sol-Gel

Các hạt có kích thước nano siêu mịn và các hạt hình cầu, lớp phủ màng mỏng, sợi, vật liệu xốp và dày đặc, cũng như aerogel và xerogel cực kỳ xốp là những chất phụ gia có tiềm năng cao để phát triển và sản xuất vật liệu hiệu suất cao. Các vật liệu tiên tiến, bao gồm gốm sứ, aerogel siêu nhẹ, xốp cao và các giống lai vô cơ hữu cơ có thể được tổng hợp từ huyền phù keo hoặc polyme trong chất lỏng thông qua phương pháp sol-gel. Vật liệu này cho thấy các đặc điểm độc đáo, vì các hạt sol được tạo ra có kích thước nanomet. Do đó, quá trình sol-gel là một phần của hóa học nano.
Sau đây, việc tổng hợp vật liệu có kích thước nano thông qua các tuyến sol-gel hỗ trợ siêu âm được xem xét.

Quy trình Sol-Gel

Sol-gel và chế biến liên quan bao gồm các bước sau:

1. tạo sol hoặc bột kết tủa, keo sol trong khuôn hoặc trên đế (trong trường hợp màng), hoặc tạo sol thứ hai từ bột kết tủa và quá trình tạo gel của nó, hoặc định hình bột thành cơ thể bằng các tuyến không gel;
2. Sấy;
3. bắn và thiêu kết. [Rabinovich 1994]

Bảng 1: Các bước tổng hợp Sol-Gel và các quy trình hạ nguồn

Các quá trình sol-gel là một kỹ thuật tổng hợp hóa học ướt để chế tạo một mạng lưới tích hợp (được gọi là gel) của các oxit kim loại hoặc polyme lai. Là tiền chất, các muối kim loại vô cơ phổ biến như clorua kim loại và các hợp chất kim loại hữu cơ như ancoxit kim loại được sử dụng. Các sol – bao gồm đình chỉ tiền chất – biến đổi thành một hệ thống lưỡng âm giống như gel, bao gồm cả pha lỏng và pha rắn. Các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình sol-gel là thủy phân, ngưng tụ poly và tạo gel.
Trong quá trình thủy phân và ngưng tụ poly, một chất keo (sol), bao gồm các hạt nano phân tán trong dung môi, được hình thành. Pha sol hiện tại chuyển thành gel.
Pha gel thu được được hình thành bởi các hạt có kích thước và sự hình thành có thể thay đổi rất nhiều từ các hạt keo rời rạc đến các polyme giống như chuỗi liên tục. Hình thức và kích thước phụ thuộc vào điều kiện hóa học. Từ các quan sát trên các alcogel SiO2 thường có thể được kết luận rằng một sol xúc tác cơ sở dẫn đến một loài rời rạc được hình thành bởi sự kết hợp của các cụm monome, nhỏ gọn hơn và phân nhánh cao. Chúng bị ảnh hưởng bởi sự lắng đọng và lực hấp dẫn.
Các sol xúc tác axit có nguồn gốc từ các chuỗi polymer vướng víu cao cho thấy cấu trúc vi mô rất mịn và các lỗ chân lông rất nhỏ xuất hiện khá đồng đều trong toàn bộ vật liệu. Sự hình thành của một mạng lưới polyme mật độ thấp liên tục mở hơn thể hiện những lợi thế nhất định liên quan đến các tính chất vật lý trong việc hình thành các thành phần thủy tinh và thủy tinh / gốm hiệu suất cao trong 2 và 3 chiều. [Sakka và cộng sự 1982]
Trong các bước xử lý tiếp theo, bằng cách sơn spin hoặc nhúng phủ, có thể phủ chất nền bằng màng mỏng hoặc bằng cách đúc sol vào khuôn, để tạo thành cái gọi là gel ướt. Sau khi sấy khô và sưởi ấm bổ sung, sẽ thu được một vật liệu dày đặc.
Trong các bước tiếp theo của quá trình hạ nguồn, gel thu được có thể được xử lý thêm. Thông qua kết tủa, nhiệt phân phun, hoặc kỹ thuật nhũ tương, bột siêu mịn và đồng nhất có thể được hình thành. Hoặc cái gọi là aerogel, được đặc trưng bởi độ xốp cao và mật độ cực thấp, có thể được tạo ra bằng cách chiết pha lỏng của gel ướt. Do đó, thông thường các điều kiện siêu tới hạn là bắt buộc.

Bảng 2: Siêu âm sol-gel tổng hợp TiO2 mesoporous [Yu et al., Chem. Commun. 2003, 2078]

Siêu âm công suất cao và hiệu ứng Sonochemical của nó

Siêu âm tần số thấp, công suất cao mang lại tiềm năng cao cho các quá trình hóa học. Khi sóng siêu âm cường độ cao được đưa vào môi trường lỏng, xen kẽ các chu kỳ áp suất cao và áp suất thấp với tốc độ tùy thuộc vào tần số xảy ra. Chu kỳ áp suất cao có nghĩa là nén, trong khi chu kỳ tần số thấp có nghĩa là hiếm môi trường. Trong chu kỳ áp suất thấp (hiếm), siêu âm công suất cao tạo ra bong bóng chân không nhỏ trong chất lỏng. Những bong bóng chân không này phát triển qua nhiều chu kỳ.
Theo cường độ siêu âm, chất lỏng nén và kéo dài đến các mức độ khác nhau. Điều này có nghĩa là các bong bóng xâm thực có thể hoạt động theo hai cách. Ở cường độ siêu âm thấp khoảng 1-3 W / cm², các bong bóng xâm thực dao động xung quanh kích thước cân bằng cho nhiều chu kỳ âm thanh. Hiện tượng này được gọi là xâm thực ổn định. Ở cường độ siêu âm cao hơn (lên đến 10 W / cm²), các bong bóng xâm thực hình thành trong một vài chu kỳ âm thanh, đạt bán kính ít nhất gấp đôi kích thước ban đầu của chúng trước khi sụp đổ tại điểm nén khi bong bóng không còn có thể hấp thụ năng lượng. Điều này được gọi là xâm thực thoáng qua hoặc quán tính. Trong quá trình nổ bong bóng, các điểm nóng được gọi là cục bộ xảy ra, có điều kiện khắc nghiệt: nhiệt độ rất cao (khoảng 5.000 K) và áp suất (khoảng 2.000 atm) đạt được. Sự nổ tung của bong bóng xâm thực cũng dẫn đến các tia chất lỏng với vận tốc lên tới 280 m / s, tạo ra lực cắt rất cao. [Suslick 1998/ Santos et al. 2009]

Sono-Ormosil

Sonication là một công cụ hiệu quả để tổng hợp các polyme. Trong quá trình phân tán siêu âm và deagglomeration, các lực cắt caviational, kéo dài ra và phá vỡ các chuỗi phân tử trong một quá trình không ngẫu nhiên, dẫn đến giảm trọng lượng phân tử và poly-dispersity. Hơn nữa, các hệ thống đa pha được phân tán và nhũ hóa rất hiệu quả, do đó các hỗn hợp rất mịn được cung cấp. Điều này có nghĩa là siêu âm làm tăng tốc độ trùng hợp so với khuấy thông thường và dẫn đến trọng lượng phân tử cao hơn với độ đa phân tán thấp hơn.
Ormosils (silicat biến đổi hữu cơ) thu được khi silane được thêm vào silica có nguồn gốc từ gel trong quá trình sol-gel. Sản phẩm là một hỗn hợp quy mô phân tử với các tính chất cơ học được cải thiện. Sono-Ormosils được đặc trưng bởi mật độ cao hơn gel cổ điển, cũng như độ ổn định nhiệt được cải thiện. Do đó, một lời giải thích có thể là mức độ trùng hợp tăng lên. [Rosa-Fox và cộng sự 2002]

Mesoporous TiO2 thông qua siêu âm Sol-Gel tổng hợp

Mesoporous TiO2 được sử dụng làm chất xúc tác quang cũng như trong điện tử, công nghệ cảm biến và xử lý môi trường. Để tối ưu hóa tính chất vật liệu, nó nhằm mục đích sản xuất TiO2 với độ kết tinh cao và diện tích bề mặt lớn. Con đường sol-gel hỗ trợ siêu âm có lợi thế là các tính chất bên trong và bên ngoài của TiO2, chẳng hạn như kích thước hạt, diện tích bề mặt, thể tích lỗ rỗng, đường kính lỗ rỗng, độ kết tinh cũng như tỷ lệ pha anatase, rutile và brookite có thể bị ảnh hưởng bằng cách kiểm soát các thông số.
Milani et al. (2011) đã chứng minh sự tổng hợp các hạt nano anatase TiO2. Do đó, quá trình sol-gel đã được áp dụng cho tiền thân TiCl4 và cả hai cách, có và không có ultrasonication, đã được so sánh. Kết quả cho thấy chiếu xạ siêu âm có tác dụng đơn điệu trên tất cả các thành phần của dung dịch được tạo ra bằng phương pháp sol-gel và gây ra sự phá vỡ các liên kết lỏng lẻo của chất keo nanometric lớn trong dung dịch. Do đó, các hạt nano nhỏ hơn được tạo ra. Áp suất và nhiệt độ cao xảy ra cục bộ phá vỡ các liên kết trong chuỗi polymer dài cũng như các liên kết yếu liên kết các hạt nhỏ hơn, theo đó các khối keo lớn hơn được hình thành. Việc so sánh cả hai mẫu TiO2, có mặt và không chiếu xạ siêu âm, được hiển thị trong các hình ảnh SEM dưới đây (xem Hình 2).
 

Pic. 2: Hình ảnh SEM của pwder TiO2, nung ở 400 độ C trong 1h và thời gian hồ hóa là 24h: (a) với sự có mặt của và (b) trong trường hợp không có siêu âm. [Milani và cộng sự 2011]

Hơn nữa, các phản ứng hóa học có thể được hưởng lợi từ các hiệu ứng sonochemical, bao gồm ví dụ như phá vỡ các liên kết hóa học, tăng cường đáng kể phản ứng hóa học hoặc suy thoái phân tử.

Kết thúc

Việc áp dụng siêu âm vào các quá trình sol-gel dẫn đến sự pha trộn tốt hơn và sự kết tụ của các hạt. Điều này dẫn đến kích thước hạt nhỏ hơn, hình cầu, hình dạng hạt thấp và hình thái học tăng cường. Cái gọi là sono-gel được đặc trưng bởi mật độ và cấu trúc mịn, đồng nhất của chúng. Các tính năng này được tạo ra do tránh sử dụng dung môi trong quá trình hình thành sol, nhưng cũng, và chủ yếu, do trạng thái lưới liên kết ngang ban đầu gây ra bởi siêu âm. Sau quá trình sấy khô, các sonogel thu được có cấu trúc hạt, không giống như các đối tác của chúng thu được mà không cần siêu âm, là dạng sợi. [Esquivias và cộng sự 2004]
Nó đã được chứng minh rằng việc sử dụng siêu âm cường độ cao cho phép điều chỉnh các vật liệu độc đáo từ các quá trình sol-gel. Điều này làm cho siêu âm công suất cao trở thành một công cụ mạnh mẽ cho nghiên cứu và phát triển hóa học và vật liệu.