Ultrazvučna mokra precipitacija nanokocki pruske plave

Pruska plava ili željezni heksacijanoferat je nanostrukturirani metalno-organski okvir (MOF) koji se koristi u proizvodnji natrijum-jonskih baterija, biomedicini, mastilima i elektronici. Ultrazvučna mokra hemijska sinteza je efikasan, pouzdan i brz put za proizvodnju nanokocki pruske plave i analoga pruske plave, kao što su bakarni heksacijanoferat i nikalni heksacijanoferat. Ultrazvučno precipitirane nanočestice pruske plave odlikuju se uskom raspodjelom veličine čestica, monodisperznošću i visokom funkcionalnošću.

Pruska plava i analozi heksacijanoferata

Pruska plava ili željezni heksacijanoferati naširoko se koriste kao funkcionalni materijal za razvoj elektrohemijskih primjena i za proizvodnju hemijskih senzora, elektrohromnih displeja, mastila i premaza, baterija (natrijum-jonskih baterija), kondenzatora i superkondenzatora, materijala za pohranu katjona, kao što su H+ ili Cs+, katalizatora, teranostika i drugog. Zbog dobre redoks aktivnosti i visoke elektrohemijske stabilnosti, pruska plava je struktura metalno-organskog okvira (MOF) koja se naširoko koristi za modifikaciju elektroda.
Pored raznih drugih primjena, pruska plava i njeni analozi bakarni heksacijanoferat i nikalni heksacijanoferat koriste se kao mastila plave, crvene, odnosno žute boje.
Velika prednost nanočestica pruske plave je njihova sigurnost. Nanočestice pruske plave su potpuno biorazgradive, biokompatibilne i odobrene od FDA za medicinske primjene.

Sonohemijska sinteza nanokocki pruske plave

Sinteza nanočestica pruske plave / heksacijanoferita je reakcija heterogene mokre hemijske precipitacije. Da bi se dobile nanočestice s uskom raspodjelom veličine čestica i monodisperznošću, potreban je pouzdan put precipitacije. Ultrazvučna precipitacija poznata je po pouzdanoj, efikasnoj i jednostavnoj sintezi visokokvalitetnih nanočestica i pigmenata, kao što su magnetit, cink-molibdat, cink-fosfomolibdat, razne nanočestice tipa jezgro–ljuska itd.

Putevi mokre hemijske sinteze nanočestica pruske plave

Sonohemijski put sinteze nanočestica pruske plave je efikasan, jednostavan, brz i ekološki prihvatljiv. Ultrazvučna precipitacija daje visokokvalitetne nanokocke pruske plave, koje se odlikuju ujednačenom malom veličinom (oko 5nm), uskom raspodjelom veličine i monodisperznošću.
Nanočestice pruske plave mogu se sintetizirati različitim putevima precipitacije sa ili bez polimernih stabilizatora.
Bez upotrebe stabilizirajućeg polimera, nanokocke pruske plave mogu se precipitirati jednostavnim ultrazvučnim miješanjem FeCl₃ i K₃[Fe(CN)₆] u prisustvu H₂O₂.
Primjena sonohemije u ovoj vrsti sinteze pomogla je da se dobiju manje nanočestice (tj. veličine 5 nm umjesto veličine od ≈50 nm koja se dobija bez ultrazvučne obrade). (Dacarro et al. 2018)

Studije slučaja ultrazvučne sinteze pruske plave

Općenito, nanočestice pruske plave sintetiziraju se primjenom metode ultrazvučne obrade.
U ovoj tehnici, 0,05 M otopina K₄[Fe(CN)₆] dodaje se u 100 ml otopine hlorovodonične kiseline (0,1 mol/L). Dobivena vodena otopina K₄[Fe(CN)₆] drži se na 40ºC 5 h uz ultrazvučnu obradu otopine, a zatim se ostavi da se ohladi na sobnu temperaturu. Dobiveni plavi proizvod se filtrira, višekratno ispire destiliranom vodom i apsolutnim etanolom te se na kraju suši u vakuumskoj peći na 25ºC tokom 12 h.

Analog heksacijanoferita, bakarni heksacijanoferit (CuHCF), sintetiziran je sljedećim putem:
Nanočestice CuHCF sintetizirane su prema sljedećoj jednačini:
Cu(NO₃)₃ + K₄[Fe(CN)₆] –> Cu₄[Fe(CN)₆] + KN0₃

Nanočestice CuHCF sintetiziraju se metodom koju su razvili Bioni et al., 2007. Smjesa 10 mL 20 mmol L^-1 K₃[Fe(CN)₆] + 0,1 mol L^-1 KCl otopine s 10 mL 20 mmol L^-1 CuCl₂ + 0,1 mol L^-1 KCl, u tikvici za ultrazvučnu obradu. Smjesa se zatim ozračuje ultrazvukom visokog intenziteta 60 min, upotrebom titanske sonotrode za direktno uranjanje (20 kHz, 10Wcm^-1) koja je uronjena do dubine od 1 cm u otopinu. Tokom miješanja primjećuje se pojava svijetlosmeđeg taloga. Ova disperzija se dijalizira tokom 3 dana kako bi se dobila vrlo stabilna disperzija svijetlosmeđe boje.
(usp. Jassal et al. 2015)

Wu et al. (2006) sintetizirali su nanočestice pruske plave sonohemijskim putem iz K₄[Fe(CN)₆], pri čemu je Fe2+ nastao razgradnjom [FeII(CN)6]4− ultrazvučnim zračenjem u hlorovodoničnoj kiselini; Fe²⁺ je oksidiran u Fe³⁺ da bi reagirao s preostalim [FeII(CN)₆]4− ionima. Istraživačka grupa zaključila je da je ujednačena raspodjela veličine sintetiziranih nanokocki pruske plave uzrokovana djelovanjem ultrazvučne obrade. FE-SEM snimak lijevo prikazuje sonohemijski sintetizirane nanokocke željeznog heksacijanoferata istraživačke grupe Wu.

Sinteza u velikom opsegu: za pripremu PB nanočestica u velikom opsegu, PVP (250 g) i K₃[Fe(CN)₆] (19,8 g) dodani su u 2.000 mL otopine HCl (1 M). Otopina je ultrazvučno obrađivana dok se nije izbistrila, a zatim stavljena u peć na 80°C radi reakcije starenja tokom 20–24 sata. Smjesa je zatim centrifugirana na 20.000 rpm tokom 2 sata radi prikupljanja PB nanočestica. (Sigurnosna napomena: Da bi se uklonio eventualno nastali HCN, reakciju treba provoditi u digestoru).

Sono-elektrohemijska sinteza pruske plave

Još jedna vrlo efikasna tehnika sinteze pruske plave je sono-elektrohemijski put, koji sinergijski kombinira elektrohemijsko taloženje s ultrazvukom visokog intenziteta. Ova metoda pojačava prijenos mase, ubrzava kinetiku nukleacije i potiče ravnomjerno formiranje nanočestica putem mikromiješanja i aktivacije površine izazvanih kavitacijom. Zbog toga je sono-elektrohemijska sinteza pruske plave pouzdan put za industrijsku proizvodnju nanorazmjerne pruske plave.
Saznajte više o sono-elektrohemijskoj postavci za sintezu pruske plave!

Ultrazvučne sonde i sonohemijski reaktori za sintezu pruske plave

Hielscher Ultrasonics je proizvođač visokoučinkovitih sonikatora s dugogodišnjim iskustvom, koji se koriste širom svijeta u istraživačkim laboratorijima i industrijskoj proizvodnji. Sonohemijska sinteza i precipitacija nanočestica i pigmenata zahtjevna je primjena koja traži ultrazvučne sonde velike snage koje generiraju konstantne amplitude. Svi Hielscher sonikatori dizajnirani su i proizvedeni za rad 24/7 pod punim opterećenjem. Ultrazvučni procesori dostupni su od kompaktnih ultrazvučnih sondi od 50 vati do snažnih inline ultrazvučnih reaktora od 16.000 vati. Široka paleta booster rogova, sonotroda i protočnih ćelija omogućava individualno postavljanje sonohemijskog sistema u skladu s prekursorima, putem i konačnim proizvodom.

Sonohemijska sinteza – šaržno ili inline, prilagođeno vašim potrebama

Hielscher ultrazvučne sonde mogu se koristiti za šaržnu i kontinuiranu inline ultrazvučnu obradu. Ovisno o volumenu reakcije i brzini reakcije, preporučit ćemo vam najprikladniju ultrazvučnu postavku. Laboratorijski, stolni, pilot i potpuno industrijski sonikatori omogućavaju obradu bilo kojeg volumena.

Najviši standardi kvaliteta – dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao porodično vlasništvo i porodično vođena firma, Hielscher daje prioritet najvišim standardima kvaliteta za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrazvučni uređaji dizajnirani su, proizvedeni i temeljito testirani u našem sjedištu u Teltowu kod Berlina u Njemačkoj. Robusnost i pouzdanost Hielscher ultrazvučne opreme čine je radnim konjem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika Hielscher visokoučinkovitih ultrazvučnih sondi i reaktora.

Tabela u nastavku daje vam orijentacijski prikaz približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: