sintesis de electrocatalizadores

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1 Universidad Austral de Chile Instituto de Acústica Aplicación del ultrasonido en la síntesis de electro catalizadores para celdas de combustible PEMUltrasonido Valdivia, Chile 27 de junio de 2014 Alumno: Ángelo Cárdenas Docente Responsable: Dr. Alfio Yori.

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Trabajo de investigacion, ultrasonido

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    Universidad Austral de Chile

    Instituto de Acstica

    Aplicacin del ultrasonido en la sntesis de electro

    catalizadores para celdas de combustible PEM

    Ultrasonido

    Valdivia, Chile

    27 de junio de 2014

    Alumno:

    ngelo Crdenas Docente Responsable: Dr. Alfio Yori.

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    NDICE

    1. Introduccin......3

    2. Objetivos3

    3. Celda de combustible tipo PEM......4

    3.1. Tipos de celda......5

    4. Propiedades fsicas del ultrasonido y las ondas.....6

    4.1. Comportamientos de la onda7

    5. El ultrasonido en las molculas de agua.9

    5.1. La cavitacin acstica.....10

    5.2. La sonoluminicencia11

    6. Sntesis sonoquimica de organometales...12

    6.1. Sntesis sonoquimica de gases nobles .13

    7. Parmetros de onda que influyen en la cavitacin16

    7.1. Influencia de la frecuencia...16

    7.2. Influencia de los gases nobles..18

    8. Diseo de estructuras porosas de carbn19

    9. Conclusiones..20

    10. Bibliografa........................................................................................................21

  • 3

    1. Introduccin.

    El ultrasonido es una herramienta de gran utilidad e importancia en las ciencias qumicas.

    Su aplicacin cubre varias reas como qumica de rgano-metales, polmeros y sntesis.

    Tambin es empleado en ciencias de materiales, degradacin de residuos en aguas y en la

    nano-ciencia.

    El avance en el desarrollo de materiales nano-estructurados origina la posibilidad de

    aplicarlos en una gran variedad de procesos relacionados con la electrnica, energa,

    biologa y catlisis. El atributo de emplear materiales de escala nano-mtrica es que estos

    manifiestan cualidades muy diferentes respecto a materiales que se posicionan en escalas

    superiores. Esto producto de que un alto porcentaje de tomos que forman las nano-

    estructuras se localizan en la superficie y muestran propiedades muy diferentes a los

    materiales en bulto.

    Los materiales nano-estructurados han sido generados por mtodos de sntesis tales como:

    descomposicin de carbonilos, evaporacin de metales, pirolisis por lser, reduccin de

    sales metlicas y por ultrasonido. La rama de la qumica que aplica las reacciones

    ocasionadas por ultrasonido se conoce como sonoqumica. En este informe se explicaran

    como ocurren los eventos causados por el uso de ultrasonido, los elementos que influyen en

    ellos y los beneficios que pueden ser obtenidos al aplicarlos para la sntesis de electro-

    catalizadores para celdas de combustible tipo PEM.

    2. Objetivos

    Explicar el funcionamiento bsico de una celda de combustible tipo PEM

    Describir la funcin y los fenmenos provocados por el ultrasonido en la sntesis de electro catalizadores de combustible.

  • 4

    3. Celda de combustible tipo PEM

    La celda de combustible tipo PEM es un aparato que puede generar electricidad con

    suministros de hidrgeno (se extrae de variadas fuentes) y oxgeno de la atmsfera,

    generando como resultado energa en forma de calor y agua. El voltaje ideal o valor terico

    de la celda de combustible se comporta de manera lineal, pero en la realidad el voltaje es

    menor de lo esperado tericamente, debido a que al comenzar su funcionamiento se

    produce una sbita cada de voltaje, una vez que el proceso se estabiliza ste, continua

    cayendo lentamente, entre ms gasto de corriente exista el voltaje cae rpidamente. En

    condiciones reales, intervienen factores que no se toman en cuenta en los anlisis iniciales,

    por lo tanto influyen en la salida de voltaje de la celda de combustible.

    Las variables son normalmente prdidas que son llamadas polarizaciones (Polarizacin de

    Activacin, Polarizacin Ohmica o Resistiva y Polarizacin de Concentracin). Es por esto

    que para solucionar las prdidas anteriores, es de gran utilidad emplear un modelo para

    entender el funcionamiento de la celda de combustible.

    La celda de combustible transforma la energa qumica en energa elctrica, la obtencin de

    electricidad se origina sin la necesidad de ningn proceso de combustin. La estructura

    fsica de una celda de combustible radica en una capa de electrlito (que es una sustancia

    que contiene iones libres, que se comporta como un medio conductor elctrico) en contacto

    con dos electrodos, uno positivo (el ctodo), y uno negativo (el nodo), los electrodos

    disponen de una conexin elctrica entre ambos electrodos, tal y como se muestra en la

    Figura 1.

    Figura 1. Diagrama Esquemtico de una celda de combustible.

  • 5

    La celda de combustible opera de forma parecida a la de una batera, su funcionamiento se

    debe a las reacciones electroqumicas entre un combustible que es el hidrgeno y un

    oxidante que es el oxgeno. El hidrgeno circula a travs de los canales de alimentacin del

    nodo y se dispersa por medio de la capa de difusin del mismo y llega a la capa

    catalizadora donde es oxidado liberando protones y electrones.

    3.1.Tipos de celdas de combustible

    En la actualidad existe una gran variedad de celdas de combustible y se clasifican de

    acuerdo a las siguientes caractersticas:

    Tipo de uso.

    Tipo de combinacin de combustible.

    Electrlito utilizado.

    Temperatura de operacin.

    Potencia generada.

    La temperatura de funcionamiento en la celda de combustible es considerado uno de los

    parmetros de mayor relevancia, ya que influye directamente en el tipo de combustible que

    puede utilizarse. En las celdas de baja temperatura con electrlitos acuosos, el combustible

    que predomina es el hidrgeno, en cambio en las celdas de alta temperatura existe ms

    diversidad en el uso de combustibles, lo cual se debe a su rapidez en la cintica de reaccin

    y a una menor necesidad de actividad catalizadora en reacciones a altas temperaturas. De

    acuerdo al Manual de celdas de combustible (EG&G, 2000) la clasificacin ms

    generalizada es la relacionada con el tipo de electrolito usado.

    Tabla 1. Tipos de celdas de combustible de acuerdo a su temperatura de operacin.

  • 6

    4. Propiedades fsicas del ultrasonido y las ondas.

    Figura 1. Rango de frecuencias snicas.

    Como se observa el esquema anterior, las ondas ultrasnicas son ondas mecnicas con

    propiedades idnticas a las ondas sonoras, distinguindose de estas slo por su frecuencia

    notoriamente mucho ms elevada, las ondas ultrasnicas son aquellas de un rango de

    Frecuencia superior a los 20000 Hz, algunos autores las consideran ya sobre los 16000 Hz.

    Estas al igual que las infrasnicas, no son audibles por el sistema auditivo humano, sin

    embargo, algunos animales presentan un ancho de banda audible superior.

    Para entender las propiedades fsicas del ultrasonido, es de vital importancia definir su

    concepto, para as conocer cada una de sus caractersticas. En fsica el Sonido ha sido

    determinado como una vibracin mecnica que se transmite a travs de la materia en forma

    de ondas, que es capaz de producir variaciones en la presin, densidad, posicin,

    temperatura y velocidad de las partculas que la componen.

    Figura 2. Compresiones y rarefacciones, representando un ciclo. La distancia entre el comienzo de

    un ciclo y el siguiente es la longitud de otra.

  • 7

    4.1.Comportamientos de la onda sonora

    Reflexin: es el cambio de direccin que se produce cuando una onda sonora incide sobre una superficie.

    Figura 3.Reflecion de una onda.

    Refraccin: es el cambio de direccin de una onda sonora cuando atraviesa una superficie.

    Figura 4.Refraccion de un rayo de onda.

  • 8

    Dispersin: es cuando la onda sufre descomposicin de una radiacin u onda sonora en diferentes radiaciones u ondas sonoras.

    Figura 5.Dispersion de una onda al pasar por obstculos.

    Divergencia: alejamiento de la trayectoria inicial de un frente ultrasnico.

    Figura 6.Divergencia del haz ultrasnico a medida que se aleja del origen.

    Difraccin: desviacin que sufre las ondas acsticas cuando se encuentra un obstculo o una abertura de dimensiones sensiblemente iguales a su longitud de

    onda.

    Figura 7.Dispercion de una onda sobre un borde

  • 9

    Impedancia acstica: mientras que una onda sonora viaja en un medio homogneo, contina esencialmente en lnea recta, cuando alcanza una interface

    entre dos medios se produce refraccin y reflexin. Estos conceptos bsicos

    permiten un mejor entendimiento de la fsica del ultrasonido.

    5. El ultrasonido en las molculas de agua.

    El ultrasonido se desplaza a travs del espacio por medio de ondas. Las ondas inducen un

    movimiento vibratorio que comprime y expande la anatoma molecular del medio.

    Debido a esto, las distancias entre molculas cambian a medida que estas oscilan cerca de

    su punto medio. Si la energa del ultrasonido en un liquido aumenta es posible lograr un

    estado en el que las fuerzas intramoleculares no pueden mantener la estructura molecular

    del liquido intacta. Producto de este fenmeno, se rompen las fuerzas intramoleculares y se

    crean las burbujas. Este proceso es llamado cavitacin y el punto en el que se origina es

    llamado umbral de cavitacin. Se conocen hasta el momento dos tipos de cavitacin que se

    nombran estable y transiente.

    Cavitacin estable: se produce cuando las burbujas oscilan cerca de su posicin de

    equilibrio en ciclos de expansin-compresin.

    Cavitacin transiente: da lugar a burbujas que se expanden al doble de su tamao original

    en cada ciclo acstico de expansin-compresin y finalmente colapsan violentamente.

    Figura 8. Representacin esquemtica de la cavitacin acstica transiente.

  • 10

    5.1.La cavitacin acstica como medio de inducir reacciones qumicas.

    La cavitacin acstica transforma la energa difusa del sonido en energa qumicamente

    til. Para que una reaccin qumica se produzca las molculas de los reactivos necesitan

    vencer una energa de activacin para proceder. Esta energa es entregada generalmente en

    forma de calor, luz, presin, potencial elctrico y radiacin ultrasnica. La radiacin

    ultrasnica a diferencia de las fuentes tradicionales de energa, prepara condiciones

    extremas de temperatura y presin (entre 5000 K y 1000 bar) que no pueden ser logradas

    por algn otro mtodo. Estas especiales condiciones no son causadas directamente por el

    ultrasonido ya que la longitud de onda de la radiacin acstica es mucho ms grande que

    las dimensiones moleculares. Esto quiere decir que no hay una interaccin directa entre las

    ondas ultrasnicas y las especies del medio. Las reacciones por ultrasonido son causadas

    por la cavitacin acstica que es la formacin, crecimiento y colapso de burbujas en la

    solucin de reactivos. Como ya se menciono anteriormente, cuando el lquido es irradiado

    con ultrasonido de alta intensidad; las ondas acsticas de expansin-compresin generan

    burbujas o cavidades dentro del seno de la solucin, las burbujas se encuentran en un estado

    de oscilacin. Las burbujas oscilantes acumulan energa del ultrasonido y crecen hasta un

    cierto tamao, generalmente pocos micrmetros. Si las condiciones de frecuencia e

    intensidad del ultrasonido aplicado son las adecuadas entonces las burbujas crecern y

    posteriormente colapsaran concentrando la energa acumulada en un punto extremadamente

    caliente. El calor generado en el momento del colapso, se esparce alrededor del seno del

    lquido, y como la velocidad de calor supera a la velocidad de difusin se generan ondas de

    choque. La importancia de las ondas de choque para la sntesis de materiales se debe a que

    estas dan lugar a una mejor distribucin de las nanopartculas dentro de la solucin

    precursora. Cuando se genera una onda de choque por la cavitacin acstica, las partculas

    que se encuentran dentro de la regin del colapso, son proyectadas en todas direcciones a

    velocidades cercanas a 0.5 veces la velocidad del sonido. Este hecho provoca que las

    partculas que poseen tamaos cercanos al micrmetro choquen entre s, mientras que

    aquellas con tamao nanomtrico tienen muchas menos probabilidades de colisionar. Las

    partculas de tamao nanomtrico pueden ser capturadas por diversos tipos de soporte

    poroso y mesoporoso para formar catalizadores con una gran rea reactiva. Dependiendo de

    la aplicacin se escoge el tipo de soporte. Los soportes utilizados para catlisis son

    generalmente zeolitas, slica, almina y en el caso de electrocatalizadores el carbn es el

    ms comn debido a su propiedad conductora de electricidad.

  • 11

    Figura 9. Burbuja o cavidad generada por ultrasonido, antes del colapso.

    5.2.Sonoluminiscencia producto de la cavitacin

    La situacin formada por la cavitacin acstica produce emisiones de luz, a este fenmeno

    se le denomina sonoluminiscencia (SL). La sonoluminiscencia se ha transformado en uno

    de los principales temas de estudio en sonoqumica ya que permite conocer las condiciones

    con que ocurren las reacciones. Los mtodos espectroscpicos son la principal herramienta

    de investigacin de la SL. La luz que se genera en la reaccin depende del tipo de partcula

    que se produce y de la temperatura dentro de las cavidades. En la figura 10 se muestra

    como ejemplo la emisin de luz que es generada dentro de una solucin de H2SO4 saturada

    con Xenn utilizando un generador ultrasnico con punta de titanio de 1cm de dimetro

    funcionando a una frecuencia de 20kHz. La oscilacin de la punta es realizada por un

    transductor piezoelctrico que es directamente introducido en la solucin. Las reacciones

    sonoqumicas generalmente se llevan a cabo dentro del intervalo de 20 a 100 kHz, ya que a

    estas frecuencias se han obtenido las condiciones ms extremas de temperatura y presin

    (aproximadamente 5000 K y 1000 bar).

    Figura 10. (a) Generador ultrasnico, (b) Sonoluminiscencia de una nube de burbujas generadas por ultrasonido en una solucin 96% en peso de H2SO4 saturada con gas Xe.

  • 12

    6. Sntesis sonoqumica de nanomateriales a partir de organometales voltiles.

    Las burbujas que se forman durante el fenmeno de la cavitacin acstica normalmente

    contienen en su interior solvente vaporizado. Pero si se emplea en la disolucin un solvente

    de un elevado punto de ebullicin y reactivos altamente voltiles, las burbujas comenzaran

    a llenarse con el vapor de los reactivos y colaboradores han utilizado carbonilos muy

    voltiles como: Fe (CO)5, Co (CO) 3 NO, Mo (CO)6, y W (CO)6, para la obtencin de

    nanoestructuras metlicas con diversas caractersticas fsicas y morfolgicas. La formacin

    de estas partculas se produce gracias al rompimiento de los enlaces entre el metal y el

    carbonilo por las altas temperaturas generadas en el proceso de la cavitacin. Las

    partculas producidas de esta manera son habitualmente amorfas debido a su alta velocidad

    de enfriamiento (mayor que 10101). Uno de los principales atributos del uso de la sntesis sonoqumica radica en su versatilidad. Varias formas de materiales

    nanoestructurados pueden ser producidos simplemente cambiando el medio de reaccin por

    ejemplo, la descomposicin sonoqumica del Fe (CO)5 en hexadecano produce

    nanopartculas de hierro amorfo. En la presencia de un estabilizador polimrico, como

    acido oleico o PVP se obtiene hierro coloidal.

    Aadiendo una fuente de sulfuro dentro de la solucin precursora se produce sulfuro de

    hierro. Si la reaccin se lleva a cabo en la presencia de oxigeno entonces se obtiene oxido

    de hierro nanomtrico. Y si en el medio de reaccin se aade un soporte slido, las

    partculas de hierro nanomtrico son depositadas sobre el soporte y puede ser utilizado

    como catalizador.

    Figura 11. Sntesis sonoqumica de varios materiales inorgnicos nanoestructurados.

  • 13

    6.1. Sntesis sonoqumica de metales nobles

    La difusin ultrasnica de una solucin acuosa genera radicales libres (molculas

    caracterizadas por poseer uno o ms electrones desaparecidos) como producto de la

    sonlisis del agua. La sonlisis se origina como resultado de la elevada temperatura y

    presin de la cavitacin dentro de la solucin acuosa. Los principales radicales que se

    forman durante la sonlisis son H. y OH. Estos radicales se pueden volver a combinar para

    formar otra vez agua, H2 o H2O2. Tambin el H. se puede combinar con oxgeno para

    formar HO2. Todos los radicales juegan un papel importante en la sntesis de

    nanopartculas por su gran capacidad reductora u oxidante de iones.

    La formacin de nanopartculas de Au, Ag, Pt y Pd, a partir de sales metlicas, se realiza a

    travs de la reduccin de los iones metlicos por los radicales generados en la sonlisis del

    agua. La virtud de producir estas partculas por medio de ultrasonido, es que no se requiere

    un agente reductor adicional como lo es el borohidruro de sodio, hidrgeno o algn alcohol;

    por lo que se considera un mtodo simple y amigable con el ambiente. Aunque

    generalmente se requieren aditivos orgnicos como etilenglicol o propilenglicol para

    producir una mayor cantidad de radicales que pueden aumentar la velocidad de reaccin

    considerablemente.

    El mecanismo de formacin de nanopartculas metlicas a partir de sales difiere de aquel

    donde se utilizan organometales voltiles, por lo tanto la morfologa y caractersticas fsicas

    de los materiales obtenidos son diferentes tambin. Cuando un material se obtiene a partir

    de sales metlicas es difcil que sea amorfo ya que la reaccin ocurre afuera de las burbujas

    de cavitacin; por lo tanto la temperatura y velocidad de enfriamiento son mucho menores a

    la requerida para la amorfizacin. Solo las partculas que se encuentran en la interfase de la

    burbuja y el medio de reaccin pueden ser amorfas.

    En las figuras 12, 13 y 14 se muestran imgenes de SEM (Microscopia electronica de

    barrido) y TEM (microscopia de electro transmisin) de las nanoestructuras obtenidas al

    someter a ultrasonido de alta intensidad una solucin precursora de nitrato de paladio (Pd

    (NO3)2) y cido hexacloroplatnico (H2PtCl6). El material obtenido presenta una

    distribucin bien homognea de los elementos paladio y platino dentro de una matriz de

    carbn. Esto se puede observar claramente en la figura 4, en la que se realiza un mapeo del

    Pd y Pt. Con lo que se observa la capacidad del ultrasonido para obtener partculas

    nanomtricas bien distribuidas en un soporte.

  • 14

    Figura12. Imagen TEM de partculas de Pd-Pt/C soportadas en carbn Vulcan XC-72 obtenidos por sonoqumica, 95% mol Pd y 5% mol de Pt.

  • 15

    Figura 13. Imagen TEM de partculas de Pd-Pt/C (5% mol Pt) soportadas en carbn

    Vulcan XC-72 obtenidos por sonoqumica, donde se aprecia la forma esfrica de la Partcula.

    Figura 14. Imagen TEM de partculas de Pd-Pt/C (5% mol Pt) soportadas en carbn

    vulcan XC-72 obtenidos por sonoqumica, donde se muestra la distribucin de los materiales en la matriz de carbn.

  • 16

    7. Parmetros de onda que influyen en la actividad de la cavitacin.

    Existe una serie de variables que influyen en la actividad de la sonoqumica y la

    sonoluminiscencia. Entre estos se encuentran la frecuencia, gas disuelto, intensidad,

    solvente, presin y la temperatura externa. Cada uno de estos parmetros puede afectar

    notablemente la actividad de la cavitacin y si se tiene un valor ptimo de cada uno de

    ellos se puede favorecer considerablemente la actividad del ultrasonido.

    7.1.Influencia de la frecuencia

    La frecuencia es la variable ms importante a considerar para la obtencin de las

    condiciones ptimas de reaccin. Lamentablemente la influencia de la frecuencia sobre la

    cavitacin acstica y sonoqumica es poco entendida. En experimentos realizados, se

    descubri que el perxido presenta una cintica de orden cero y se forma a partir de la

    combinacin de los radicales .OH. Los valores de frecuencia que se utilizaron para el

    estudio fueron 205kHz, 358kHz, 618kHz y 1071kHz. Se dilucido que la velocidad cintica

    de formacin de perxido y descomposicin del dioxano presentan su valor ms alto a

    358kHz. Para discutir el efecto de la frecuencia con ms detalle, se deben de considerar,

    aspectos adicionales del comportamiento que experimenta la burbuja. Las microcavidades

    (micro-burbujas) pueden experimentar:

    Oscilacin peridica del tamao (cavitacin estable);

    Desintegracin o fragmentacin;

    Expansin rpida o colapso (cavitacin transiente o acstica);

    Escape de la solucin debido a la conveccin y flotacin.

    La reactividad qumica y SL son estrictamente un resultado de la cavitacin transiente y

    estable, pero la desintegracin y escape podran influenciar el grado de actividad de la

    cavitacin considerablemente. La probabilidad relativa de cada proceso depende del

    tamao de la burbuja, potencia aplicada y frecuencia.

    Despus de un nmero de oscilaciones radiales generadas por la onda ultrasnica, el micro-

    burbujas alcanzan un tamao de resonancia inmediatamente antes de la implosin.

    El tamao de resonancia de la burbuja esta inversamente correlacionado a la frecuencia

    emitida, y esta dado por la siguiente ecuacin:

    Donde:

    = Radio de resonancia de la burbuja.

    =

    0 = Presin Hidrosttica. = Densidad de la solucin y = Frecuencia de resonancia.

    Aunque el radio de la burbuja variara dentro de un intervalo a cualquier frecuencia en

    particular. Las burbujas con tamao de resonancia determinado provocaran la mayora de

  • 17

    los eventos de cavitacin efectiva. A medida que la frecuencia aumenta, el radio de

    resonancia de las burbujas y el tiempo para el colapso disminuyen. El tiempo para el

    colapso de la burbuja, para un gas o vapor dentro de un lquido esta dado por:

    Donde

    = Radio de la burbuja al comienzo del colapso. = Densidad del lquido. = Presin en el lquido. = presin en la burbuja al comienzo del colapso.

    Si se logra alcanzar un colapso adiabtico (proceso donde la reaccin interna no

    intercambia calor con su entorno), frecuencias menores producirn un colapso ms violento

    que frecuencias altas debido a un mayor tamao de resonancia. La evidencia para esto ha

    sido comprobada por estudios de SL.

    A elevadas frecuencias se crean burbujas ms pequeas y se requerirn menos ciclos

    acsticos para alcanzar el tamao de resonancia. Esto produce eventos de cavitacin

    transientes que ocurren a una mayor velocidad por unidad de tiempo a medida que la

    frecuencia aumenta, ya que el tiempo de permanencia de las burbujas disminuye. Un

    nmero ms alto de oscilaciones incrementa la transferencia de masa de los radicales .OH

    dentro del medio que lo rodea y al mismo tiempo aumenta la irradiacin de gases y

    compuestos voltiles dentro de la burbuja. Por el contrario a elevadas frecuencias el tamao

    de resonancia de las burbujas puede que no sea tan grande como para acumular la suficiente

    energa para formar radicales .OH cuando se presenta el colapso. Parece ser que a 358kHz

    se optimizan la energa de la implosin y la transferencia de masa de las especies reactivas

    dentro y fuera de la burbuja. Esto es verdad para la descomposicin del dioxano y

    formacin de H2O2.

    A medida que la frecuencia aumenta, la intensidad de la implosin disminuye, pero el flujo

    de radicales y compuestos qumicos hacia la burbuja es ms rpido esto puede mantener la

    misma velocidad de reaccin a pesar del incremento de la frecuencia. Aparte de las ondas

    ultrasnicas, hay otro tipo de fuerzas que actan sobre una burbuja durante la cavitacin

    acstica. Entre estas se encuentran las fuerzas de flotacin y las fuerzas de Bjerknes que son inducidas por otras burbujas oscilantes. Es un hecho que estos procesos inducen un

    colapso asimtrico o fragmentacin durante la implosin. Si el campo acstico y las fuerzas

    externas del medio son lo suficientemente fuertes entonces habr una distorsin de la

    superficie. Esta posiblemente se genera por alguna inestabilidad entre las interfaces cerca

    de alguna superficie slida. Y entrega como resultado microflujos que guan a la

    fragmentacin de las burbujas. A frecuencias bajas, una fraccin significante de burbujas

    colapsar de esta forma.

    La fragmentacin o incompleto colapso simtrico de las burbujas tendr mayores

    implicaciones en la reactividad qumica a bajas frecuencias. Aun durante la implosin

    asimtrica de las burbujas, se logran tener altas temperaturas y presiones ya que el colapso

    adiabtico se lleva a cabo a una gran velocidad. A bajas frecuencias, donde la distorsin de

    las burbujas es ms probable, los microflujos a travs de la interfase de microburbujas

  • 18

    llevaran las especies reactivas al centro de la reaccin. En esta situacin un porcentaje ms

    grande de especies no voltiles ser expuesto a las condiciones extremas asociadas con la

    SL.

    7.2.Influencia de los gases nobles en la temperatura de cavitacin

    En estudios realizados en laboratorios revelan los efectos producidos sobre el gas noble,

    cuando una reaccin de Cr (CO)6 en octanol se lleva a cabo, demuestra que el tipo de gas

    (Xe, Kr, Ar, Ne y He) cambia la temperatura alcanzada dentro de las burbujas de

    cavitacin. La emisin de luz de los tomos del metal en su estado excitado sirve como un

    termmetro espectroscpico muy preciso para estudiar el evento de cavitacin. Se ha

    encontrado que la intensidad y temperatura incrementa conforme el peso atmico del gas

    noble incrementa, por lo que sigue una tendencia ascendente desde el He hasta Xe. Esto se

    ha atribuido a una disminucin en la conductividad trmica del contenido de la burbuja, que

    sigue una tendencia descendente desde el He hasta el Xe. Por lo tanto el transporte de calor

    hacia el seno del lquido disminuye manteniendo una mayor concentracin de energa

    dentro de la burbuja.

    Figura 15 Esquema de los eventos de cavitacin como una funcin de la frecuencia durante la irradiacin contina de ultrasonido. Las flechas verticales indican el orden de importancia respecto a la actividad sonoqumica como una funcin de la frecuencia. A menores frecuencias, se tiene la hiptesis que una gran parte de burbujas de cavitacin colapsar asimtricamente mientras que la velocidad del flux de gas y especies voltiles aumentar a medida que la frecuencia del ultrasonido se incrementa.

  • 19

    8. Diseo de estructuras porosas de carbn.

    Los catalizadores para celdas de combustible son preparados dispersando partculas de

    tamao nanometrico sobre un soporte de carbn. El soporte impide que las nanopartculas

    se agrupen y que el rea disponible para la reaccin sea mxima. De esta forma se tiene una

    mayor utilidad de los metales nobles que forman las nanopartculas. El soporte ms comn

    para celdas de combustible es el carbn Vulcan XC-72 (de CABOT). Este ha sido

    extensamente utilizado por su conductividad y rea superficial altas. Sin embargo estudios

    recientes han mostrado que las propiedades fsicas del carbn Vulcan pueden afectar

    considerablemente las propiedades electroqumicas de las celdas de combustible.

    Se ha detectado que los materiales de carbn con rea superficial alta y buena cristalinidad

    ayudan no solo a la buena dispersin de las nanopartculas sino tambin favorecen la

    transferencia de electrones. Adems ayudan al transporte de reactivos y productos durante

    el funcionamiento de la celda.

    USP (Ultrasonic spray pyrolysis) ha sido utilizado en la industria para la produccin de

    polvo ultrafino y nanopartculas .Los nuevos materiales preparados por esta tcnica (xidos

    y sulfuros metlicos nanoestructurados as como nanopartculas de semiconductores

    luminiscentes) se han utilizado como censores, transportadores de drogas al organismo y

    catalizadores .USP recientemente ha mostrado ser un mtodo simple para preparar polvo de

    carbn macro y mesoporoso. Generalmente los carbones macro y mesoporosos son

    preparados por mtodos complicados en los que silica mesoporosa y cristalina o cristales de

    silica coloidal son mezclados con una fuente de carbn y el compositor es carbonizado.

    Posteriormente con cido fluorhdrico se remueve la silica y se producen poros dentro del

    carbn. Este proceso requiere mucho tiempo y es ineficiente.

    Con USP se puede obtener carbn con varias estructuras de poro de una manera simple y

    rpida.

    Figura16. (a) Ultrasonic spray pyrolysis (USP), (b) Proceso general para la sntesis de carbn poroso por USP.

  • 20

    Como se muestra en la figura anterior, el proceso de sntesis por USP se produce al

    nebulizar una solucin precursora en un humidificador ultrasnico. El contenedor para la

    nebulizacin tiene una entrada para el gas de arrastre, que normalmente es un gas inerte. El

    gas arrastra las gotas de aerosol a un horno donde el precursor se descompone. Los

    productos entonces son colectados en una serie de recipientes con agua que se encuentran a

    la salida del horno.

    Durante la evaporacin del solvente las gotas de aerosol se contraen, y el calor del horno

    produce su supersaturacin. En este punto se precipita el soluto contenido en ellas. La

    descomposicin del precursor puede seguir para producir partculas de carbn porosas. Las

    partculas porosas posteriormente podran presentar densificacin para producir partculas

    slidas. La formacin de partculas porosas o slidas va estar cercanamente relacionada a la

    evaporacin del solvente y a la solubilidad de los precursores.

    Estos son los dos ms importantes factores que afectan el grado de supersaturacin y como

    consecuencia influyen en la forma del producto final. Por lo que se debe realizar una

    optimizacin de ellos para encontrar las mejores condiciones para producir la configuracin

    deseada.

    9. Conclusiones. En esta investigacin se puede resaltar que existen 3 aplicaciones de gran importancia

    donde el uso de ultrasonido juega un papel fundamental en los tipos de reacciones

    quimicas.

    Sonoqumica homognea de los lquidos (Sonoluminiscencia como caso particular)

    Sonoqumica heterognea de los sistemas lquido-lquido o slido-lquido

    Sonocatalysis. Existen muchas ms aplicaciones ultrasnicas y sonoquimicas .La mejora de las reacciones

    qumicas en la ecografa se ha explorado y tiene aplicaciones beneficiosas en la sntesis de

    fase mixta, qumica de materiales y aplicaciones biomdicas. Debido a que slo puede

    ocurrir la cavitacin en los lquidos, las reacciones qumicas no se ven en la irradiacin

    ultrasnica de slidos o sistemas slido-gas.

    Por ejemplo, en la cintica qumica, se ha observado que el ultrasonido puede mejorar en

    gran medida la reactividad qumica en un nmero de sistemas por tanto como un milln de

    veces; acte efectivamente como un catalizador por excitar los modos atmicos y

    moleculares del sistema. Adems, en las reacciones que utilizan slidos, el ultrasonido

    rompe los pedazos slidos de la energa liberada de las burbujas creadas por la cavitacin

    colapso a travs de ellos. Esto le da al reactivo slido un rea de superficie ms grande para

    que la reaccin proceda durante, el aumento de la tasa observada de la reaccin.

  • 21

    10. Bibliografa

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