La sonocatalyse est une branche de la sonochimie qui se base sur l’utilisation des ultrasons pour affecter l’apport d’énergie ainsi que la réactivité d’un catalyseur utilisé lors d’une catalyse homogène ou hétérogène. Elle est généralement utilisée pour assister la catalyse. Ce type de catalyse est utilisé depuis la création de la sonochimie en 1927 par Alfred Lee Loomis (1887-1975) et Robert Williams Wood (1868-1955).. La sonocatalyse (et même la sonochimie en général) repose sur les ultrasons qui ont été découverts en 1794 par le biologiste italien Lazarro Spallanzani (1729-1799) Behling Ronan, Nahla Araji, et Grégory Chatel. « Qu’est-ce que la sonochimie ? » L’Actualité Chimique le Journal de la SCF 410 (septembre 2016): 11‑20. https://new.societechimiquedefrance.fr/numero/quest-ce-que-la-sonochimie-p11-n410..
Principe Concept général
La sonocatalyse a pour rôle d’assister la catalyse en elle-même, ce qui veut dire que ce n’est pas une technique catalytique à elle seule. La sonocatalyse, tout comme la sonochimie en général, dérive d’un phénomène appelé cavitation acoustique, qui se produit lorsqu’un liquide est irradié par des ultrasons. Les ultrasons vont créer de fortes variations locales de pression et de température, affectant ainsi la densité du liquide et créer des bulles de cavitation lorsque la pression du liquide descend en dessous de sa vapeur de pression saturante. Dans certains cas, la cavitation acoustique peut être couplée à une décharge électrique de plasma pour davantage d'efficacitéVerdini, Federico, Emanuela Calcio Gaudino, Erica Canova, Maria Chiara Colia, et Giancarlo Cravotto. « Highly Efficient Tetracycline Degradation under Simultaneous Hydrodynamic Cavitation and Electrical Discharge Plasma in Flow ». Industrial & Engineering Chemistry Research 62, nᵒ 45 (15 novembre 2023): 19311‑22. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.3c00266.. Lorsque ces bulles explosent, une énergie, qui correspond à la transformation d’énergie cinétique en chaleur est libérée. La sonocatalyse peut avoir lieu en phase homogène comme en phase hétérogène, suivant la phase dans laquelle le catalyseur est par rapport à la réaction.
centré|vignette|679x679px|Principe de récupération d'énergie par cavitation acoustique.
D’un point de vue réactionnel, l’éclatement des bulles de cavitation permet de créer des conditions extrêmes de pression et de température locales, pouvant aller jusqu’à une pression de 1000 atm et une température de 5000 K. Cela a pour conséquence la création de radicaux hautement énergétiquesGholami, Peyman, Alireza Khataee, Reza Darvishi Cheshmeh Soltani, et Amit Bhatnagar. « A Review on Carbon-Based Materials for Heterogeneous Sonocatalysis: Fundamentals, Properties and Applications ». Ultrasonics Sonochemistry 58 (novembre 2019): 104681. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2019.104681., donc instables et très réactifs. Dans un milieu aqueux, l’éclatement des bulles permet la formation du radical hydroxyle HO^{.}et du radical hydrogène H^{.}. Ces radicaux peuvent ensuite se recombiner pour produire différentes espèces comme de l’eau H2O, le radical hydroperoxyle HO2^{.} , du peroxyde d’hydrogène H2O2 ou encore du dioxygène O2.
Les réactions de formation de radicaux dues à la décomposition de l'eau par les ultrasons peuvent être décrites comme telles :
H2O ->[{)))}] HO{.} + H{.} .OH + H. -> H2O2 .H + O2 ->HO2. 2HO. -> H2O2 2HO2.->H2O2 +O2 H2O +.OH->H2O2 +H.
La présence de dioxygène dissous dans le milieu aqueux améliore la création de conditions de température et de pression extrêmes nécessaire à la sonocatalyse, car le dioxygène dissous est susceptible de créer davantage de bulles de cavitation, qui formeront elles-mêmes plus de radicaux lorsqu’elles exploseront. Les réactions de formation de radicaux et de régénération d’espèces en présence de dioxygène peuvent être résumées ainsiMoradi, Sina, Cristina Rodriguez-Seco, Farzan Hayati, et Dongling Ma. « Sonophotocatalysis with Photoactive Nanomaterials for Wastewater Treatment and Bacteria Disinfection ». ACS Nanoscience Au 3, nᵒ 2 (19 avril 2023): 103‑29. https://doi.org/10.1021/acsnanoscienceau.2c00058. :
H2O ->[{)))}] HO{.} + H{.} O2 ->[{)))}] 2O{.} HO{.} + O{.} ->[{}] OOH{.} O{.} + H2O ->[{}] 2HO{.} H{.} + O2 ->[{}] OOH{.} HO{.} + H{.} ->[{}] H2O 2HO{.} ->[{}] H2O + O{.} OOH{.} + OH{.} ->[{}] H2O + O2 2H{.} ->[{}] H2
Une fois les radicaux formés, ils peuvent réagir ou reformer de l'eau et du dioxygène en l'absence d'espèces réactantes. On observe aussi un dégagement de dihydrogène à la suite de ce processus.
Cette énergie apportée par les irradiations ultrasoniques est différente de celles apportées par la chaleur ou par un rayonnement électromagnétique. Elle diffère dans la durée, ainsi que dans la pression et l’énergie perçues par molécule. Par exemple, un ultrason d’une fréquence de 20 kHz correspond, par conversion, à une énergie de 8,3 x 10-11 eVBiémont, Émile. Spectroscopie moléculaire: Structures moléculaires et analyse spectrale. De Boeck Supérieur, 2008.. Par comparaison, si on émettait un laser d’une longueur d’onde de 300 nm, alors cela correspondrait à une énergie de 4,13 eV. Ces ultrasons permettent un temps de réaction plus court ainsi qu'un meilleur rendement.
Le processus physico-chimique menant à la sonocatalyse peut provoquer un autre phénomène appelé sonoluminescence. Celui-ci se produit lorsque l'explosion des bulles de cavitation provoque l'émission de photons, ce qui ne peut arriver que si l'apport d'énergie est suffisamment élevé pour former des espèces excitées. Dans le cas de la sonocatalyse, les photons émis ont une longueur d'onde généralement comprise entre 200 nm et un peu plus de 700 nm, ce qui signifie qu'ils sont caractérisés par une lumière colorée. Le phénomène de sonoluminescence peut varier selon tout un tas de facteurs propres à la sonocatalyse, comme la fréquence des ultrasons ainsi que l'utilisation de la catalyse homogène ou hétérogène entre autresJi, R., R. Pflieger, M. Virot, et S. I. Nikitenko. « Multibubble Sonochemistry and Sonoluminescence at 100 kHz: The Missing Link between Low- and High-Frequency Ultrasound ». The Journal of Physical Chemistry B 122, nᵒ 27 (12 juillet 2018): 6989‑94. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.8b04267..
Catalyse et énergie d'Arrhenius
Tandis que la catalyse active le réactif en baissant l'énergie d'activation., la sonocatalyse est capable d'apporter une certaine quantité d’énergie en plus de la baisse de l'énergie d'activation, grâce à l'effet des ultrasons qui assistent la catalyse. Celle-ci est donc plus apte à aider le réactif à atteindre et franchir son état de transition.
vignette|Effet de la catalyse sur l'énergie d'activation d'une réaction sous catalyse enzymatique. |centré|519x519px
Irradiation directe et irradiation indirecte
Il existe deux types d’irradiation dans la sonochimie et la sonocatalyse : l’irradiation directe et l’irradiation indirecte. Lors de l’irradiation directe, la solution étudiée est directement en contact avec l’émetteur d’ondes sonores (le plus souvent un transducteur). Lors de l’irradiation indirecte, ces deux éléments sont séparés par un bain irradié qui transmet les ondes par convection au contenant de la solution. Si la méthode d’irradiation la plus utilisée est l’irradiation indirecte, l’irradiation directe est également possible, en particulier lorsque le bain à ultrasons utilisé peut servir de contenant pour la solution.
centré|vignette|679x679px|Schéma montrant les différences entre irradiation directe et indirecte.
Catalyseurs Catalyseurs homogènes
Les complexes de carbonyles de métal, comme le Fe(CO)5., le Fe3(CO)12, le Cr(CO)6, le Mo(CO)6 ou encore le W(CO)6, sont très prisés dans la sonocatalyse homogèneSuslick, Kenneth S., James W. Goodale, Paul F. Schubert, et Hau H. Wang. « Sonochemistry and sonocatalysis of metal carbonyls ». Journal of the American Chemical Society 105, nᵒ 18 (1 septembre 1983): 5781‑85. https://doi.org/10.1021/ja00356a014., car ce sont des espèces stables, de par leurs structures, en conditions standardAmeen, J. G., et H. F. Durfee. « The structure of metal carbonyls ». Journal of Chemical Education 48, nᵒ 6 (1 juin 1971): 372. https://doi.org/10.1021/ed048p372.. De plus, leurs propriétés catalytiques sont connues et efficaces.
centré|vignette|500x500px|Différents métaux carbonylés utilisables comme catalyseur homogène en sonocatalyse.
Catalyseurs hétérogènes
Les espèces carbonées, comme les nanotubes de carbone, le graphène, l’oxyde de graphène, le charbon actif, biochar, le g-C3N4, les matériaux dopés en carbone, le Buckminsterfullerène (C60), les carbones mésoporeux entre autres sont très utilisées dans la sonocatalyse en phase hétérogène. Ces espèces ont des propriétés physico-chimiques propices à leur utilisation comme sonocatalyseurs car elles favorisent le processus de dégradation lors de la sonocatalyse. Elles sont très utilisées car, en plus d’avoir une grande activité et stabilité pour la sonocatalyse, elles démontrent l’effet de la nucléation. Ces propriétés sont dues à des caractéristiques tels que leurs activités optiques, conductivités électriques, stabilités chimiques, forces mécaniques, ainsi que leurs structures poreuses. Ces espèces sont en plein essor, autant dans leur développement technologique que dans leur utilisation de plus en plus grandissante.
D’autres sonocatalyseurs hétérogènes existent, comme la poudre de nickel. La poudre de nickel est un solide particulièrement utilisé dans le but de catalyser des réactions d’hydrogénation d’alcènes sous ultrasons. En effet, la poudre de nickel est quasiment inactive lorsqu’elle est utilisée en tant que simple catalyseur. Cependant, lorsqu’elle est couplée à des ultrasons, son activité est multipliée par plus de 100000, ce qui en fait une espèce chimique efficace en sonocatalyse, d’autant plus que la poudre de nickel est plus simple à utiliser et plus sélective en catalyse que le nickel de Raney..
Matériaux utilisés Les transducteurs
En plus de ces espèces catalytiques, la sonocatalyse nécessite d’autres types d’équipements pour générer les ultrasons, notamment de transducteurs qui génèrent les ultrasons (ondes acoustiques) en convertissant l’énergie électrique en énergie mécanique. Ces transducteurs peuvent être de différents types : ils peuvent être soit piézoélectriques, soit magnétostrictifs. Le type de transducteur le plus utilisé est le piézoélectrique car il est moins coûteux, plus léger et occupe moins de place. Ce transducteur est constitué de monocristaux ou de céramiques et de deux électrodes électriques fixées sur les faces des matériaux cités précédemment. Ces électrodes subissent une tension électrique qui est au maximum égale à la fréquence de résonance du transducteur, puis permettent aux monocristaux et aux céramiques de comprimer ou de se dilater, ce qui crée une onde.
Quelques exemples de transducteurs
Le bac à ultrasons est un bac qu’on vient remplir de liquide, souvent de l’eau, et c’est ce liquide qui permet de transmettre l’énergie acoustique générée au fond du bac vers la solution présente à l’intérieur d’une verrerie. Cet outil génère habituellement des ultrasons avec des basses fréquences ( entre 20 et 60 kHz ) et est peu coûteux. Cependant, il présente quelques inconvénients, notamment une difficulté à contrôler la température du liquide contenu dans le bac, mais également le fait que l’irradiation ne soit pas homogène dans tout le bac.
vignette|449x449px|Schéma décrivant le fonctionnement d’un bac à ultrasons.|centré