利用声致空化激活分子、离子和固体颗粒

以下实验的总体目标是展示在声学空化条件下，均相和非均相体系中离子与固体的活化过程。该过程通过将高频超声施加于经冷却的磷酸溶液实现，该溶液中含有尿素离子并被氩气饱和。在暗室中可肉眼观察到激发态铀产生的发光现象，并可通过光谱仪进行测量。

第二步，通过在纯水中用氩气与一氧化碳混合气体饱和后化学还原四价铂，制备铂纳米粒子的稳定胶体。接下来，通过将二氧化钚悬浮液在纯水中进行超声处理，即可制备钚胶体。该过程需在氩气饱和条件下进行。

结果表明，饱和气体、超声频率、整体温度以及超声处理溶液的组成是实现高效声致发光和声化学活性最关键的参数。声化学源于声学空化，即液体中空化气泡在超声辐射下发生崩溃。原则上，每个空化气泡均可被视为一个微型反应器，可在接近室温的溶液中提供高能过程。

对声致化学领域中气泡坍塌时达到的极端条件本质或化学反应机制等关键问题的研究，可通过衰老现象的研究得以解答。由于超声辐射下可实现贵金属的还原，该技术在纳米颗粒悬浮液的形成和催化剂合成方面也具有应用前景。我们最初产生该方法的想法，源于开始研究二氧化钚在复杂体系中超声条件下的溶解行为。

我们对在纯水中获得的结果感到意外，因此这为以简单且可控的方式制备钚氧化物纳米颗粒提供了可能。开始测量前需先准备设备。使用连接至多频发生器的高频换能器，以提供200至600千赫兹范围内的超声波。

使用夹具将换能器紧密固定。一个带有保温瓶状圆柱形声波反应器。将换能器与声波反应器组件置于光密箱内的平移台上，此时光密箱保持打开状态。

然后调整其位置，使反应器的中心能够成像到光谱仪的入射狭缝上。将光谱仪与液氮冷却的CCD相机耦合，用于记录发射光谱，从而确保与声化学反应器的特定区域有直接的视线通路。接下来，向声化学反应器中加入已配制好的磷酸尿液溶液。

此处，在200至600千赫兹超声处理的基础上，加入250毫升液体。也可使用20千赫兹超声进行制备。将一个截面积为1平方厘米的钛合金探头安装在可适配于声化学反应器的聚四氟乙烯盖子上。

将盖子紧密地盖在反应器上。现在向声波反应器中加入热电偶。将氩气源连接到反应器的气体入口管。

通过将出口气体管连接到四极质谱仪的入口，完成与声波反应器的连接。为研究氢气，启动低温恒温器并将其温度设置为约0至1摄氏度。以每分钟100毫升的流速开始向溶液中通入氩气。

同时，当质谱信号稳定后，开始监测质谱仪输出的氩气和氢气信号。约半小时后，开启60瓦的高频超声发生器。15至20分钟后，当系统达到约10摄氏度的稳态温度时，检查分子氢的质谱信号是否升高，以确认空化作用和水的裂解已发生。

也可对超声反应器进行目视检查。尿液的声致发光现象可用肉眼观察。关闭避光箱。

为测量光谱做准备。开始测量声致发光。每组光谱记录时长为300秒。

测量完超声发光光谱后，关闭超声发生器。在无超声条件下测量发射光谱，以校正寄生光的影响。同时继续测量质谱信号，直至获得稳定的基线。

该实验必须在通风橱中进行。首先配制浓度为5克/升的四价铂溶液。设置一个50毫升的密闭双层玻璃反应器。

在反应器上配备铂金100热电偶，并通过隔垫连接聚四氟乙烯进气管和出气管，每根管路均配有量程为100毫升/分钟的流量计。将进气管连接至含10%一氧化碳的氩气气源，将出气管连接至水阱，最终连接至气体质谱仪。

在反应器顶部向反应器中加入50毫升去离子水。固定一个边长为1厘米的正方形钛探针，探针连接正电换能器，并与20千赫兹发生器相连。确保TRO探针尖端距离反应器底部约2厘米。

实验开始前约五分钟，启动制冷机并将温度设置为负18摄氏度。以约每分钟100毫升的流速通入氩气和一氧化碳气体。气体应在溶液深处形成气泡，且TRO探针尖端应位于液面以下一至两厘米处。

10 到 15 分钟后，将气体入口固定在液面稍下方。当冷却器达到设定温度后，以每平方厘米 17 瓦的声功率开始超声辐照，并等待 15 到 20 分钟，使温度降至约 20 摄氏度。使用配备不锈钢针头的注射器，精确吸取 1 毫升浓度为每升 5 克的氯铂酸溶液。

在本实验中，将注射器移至反应器的隔膜处。小心地将针头穿过隔膜，并将溶液注入空化区域，位于探头尖端下方。

通过轻轻推动溶液进出注射器来清洗注射器。吸取一毫升样品后，取下注射器。使用该注射器每隔15至30分钟定期取样一次。

当样品可获取时，将每1毫升样品分装，用于在此处测定铂离子浓度。260纳米波段的紫外-可见光谱可显示系统中初始及约半小时后的四价铂离子含量，一旦溶液中无法检测到铂离子，则在20摄氏度下继续反应约三小时后，关闭超声辐射，关闭气体和冷却循环水浴。

将铂纳米颗粒悬浮液从反应器中取出。为本视频制备透射电子显微镜样品时，将数滴悬浮液分散于一至四毫升的无水乙醇中。取一滴该悬浮液，滴加至表面覆有碳膜的铜制透射电镜载网上。

溶剂完全蒸发后，继续进行分析以研究锕系元素的声化学反应。使用类似Atlan设施提供的手套箱。该装置与之前实验所用的类似，包含一个20千赫的Sona Road、一个紧密的聚四氟乙烯环，以及用于气体源、温度控制、气体输出取样或其他需求的接入点。

在声化学反应器中，将二氧化钚粉末悬浮于纯水中。连接超声探头，设定恒温器温度并通入氩气，超声处理五至十二小时以形成胶体。对所得溶液进行离心，收集上清胶体用于紫外-可见光谱和X射线吸收精细结构光谱分析。黑色曲线显示了在氩气存在下、不含尿液离子的0.2摩尔每卡路里溶液的发射光谱。

该溶液温度为10摄氏度，以65瓦功率、203千赫兹的超声波进行辐照。光谱显示，羟基自由基发射峰以310纳米为中心，且存在一个从紫外区延伸至近红外区的宽广连续谱。蓝色曲线表示相同溶液中在含有0.1摩尔尿酸根离子条件下的发射光谱。

在250至450纳米范围内的光子由崩塌的气泡发射后，几乎完全被尿酸根离子吸收。激发态离子在512和537纳米处的发射谱线非常微弱。请将这些谱线与0.5摩尔磷酸溶液的声致发光光谱（黑色）以及含有尿酸根离子的0.5摩尔磷酸溶液的声致发光光谱（蓝色）进行比较。

光谱在10摄氏度下采集，超声条件为203千赫兹、61瓦。位于496纳米、517纳米和540纳米处的强发射峰归属于激发态的尿素离子。这些峰清楚地表明，与磷酸盐形成配合物可有效保护尿素免受水分子的猝灭作用。

此处展示了在氩气-一氧化碳气氛下，纯水中四价铂的声化学还原过程中各物质浓度随时间的演变情况。温度为 20 °C。浅蓝色和深蓝色曲线分别表示分子氢和二氧化碳的浓度。

这些曲线在10分钟时超声辐射启动后开始上升，功率为0.35瓦特每毫升。30分钟后加入铂金四，随后进行测量。

浓度随时间推移而持续降低。铂(II)的浓度从零开始稳步上升至峰值，随后又回落至零；而铂(0)的估算浓度则呈单调递增。在超声辐照条件下。

该系统可生成铂纳米颗粒，并通过透射电子显微镜进行表征。此处展示了这些纳米颗粒的图像以及其悬浮于其中的胶体。一旦掌握该技术，这种多频化学装置便可应用于多种不同的体系。

在尝试该方法时，非常重要的一点是必须严格控制所有实验条件，尤其是气体氛围和温度，以在溶液中诱导超声化学还原铂。该技术的发展为超声化学领域的研究人员探索在超声作用下激发物质提供了基础。切记，操作钚元素可能具有极高的危险性。

它需要谨慎操作、适当的基础设施以及经过培训的实验人员。