Ultrazvukové mokré srážení pruských modrých nanokostek
Pruská modř neboli hexakyanoželezitan železitý je nanostrukturovaný kovový organický rámec (MOF), který se používá při výrobě sodíkových iontových baterií, biomedicíně, inkoustech a elektronice. Ultrazvuková mokrá chemická syntéza je účinná, spolehlivá a rychlá cesta k výrobě nanokostek pruské modři a analogů pruské modři, jako je hexakyanoželezitan měďnatý a hexakyanoželezitan niklu. Ultrazvukem vysrážené nanočástice pruské modři se vyznačují úzkou distribucí velikosti částic, monodisperzitou a vysokou funkčností.
Pruská modř a analogy hexakyanoželezitanu
Pruská modř nebo hexakyanoželezitany železa jsou široce používány jako funkční materiál pro navrhování elektrochemických aplikací a pro výrobu chemických senzorů, elektrochromních displejů, inkoustů a povlaků, baterií (sodíko-iontové baterie), kondenzátorů a superkondenzátorů, kationtových skladovacích materiálů, jako je H+ nebo Cs+, katalyzátorů, teranostik a dalších. Díky své dobré redoxní aktivitě a vysoké elektrochemické stabilitě je Pruská modř kovo-organická struktura (MOF), která je široce používána pro modifikaci elektrod.
Kromě různých dalších aplikací se pruská modř a její analogy hexakyanoželezitan měďnatý a hexakyanoželezitan niklnatý používají jako barevné inkousty modré, červené a žluté barvy.
Obrovskou výhodou nanočástic pruské modři je jejich bezpečnost. Nanočástice pruské modři jsou plně biologicky odbouratelné, biokompatibilní a schválené FDA pro lékařské aplikace.
Ultrazvukový přístroj UIP2000hdT je výkonné sonochemické zařízení pro syntézu a srážení nanočástic.
Sonochemická syntéza pruských modrých nanokostek
Syntéza nanočástic pruské modři / hexakyanoferitu je reakcí heterogenního mokrého chemického srážení. Aby bylo možné získat nanočástice s úzkou distribucí velikosti částic a monodisperzitou, je zapotřebí spolehlivá cesta srážení. Ultrazvuková precicipitace je dobře známá pro spolehlivou, účinnou a jednoduchou syntézu vysoce kvalitních nanočástic a pigmentů, jako je magnetit, molybdenan zinečnatý, fosfomolybdenan zinečnatý, různé nanočástice jádra atd.
Cesty mokré chemické syntézy pro nanočástice pruské modři
Sonochemická cesta syntézy nanočástic pruské modři je účinná, snadná, rychlá a šetrná k životnímu prostředí. Ultrazvukové srážky poskytují vysoce kvalitní nanokostky pruské modři, které se vyznačují jednotnou malou velikostí (přibližně 5 nm), úzkou distribucí velikosti a monodisperzitou.
Nanočástice pruské modři mohou být syntetizovány různými srážecími cestami s polymerními stabilizátory nebo bez nich.
Aby se předešlo použití stabilizačního polymeru, lze nanokostky pruské modři jednoduše vysrážet ultrazvukovým smícháním FeCl3 a K3[Fe(CN)6] v přítomnosti H2O2.
Použití sonochemie v tomto druhu syntézy pomohlo získat menší nanočástice (tj. Velikost 5 nm namísto velikosti ≈50 nm získané bez sonikace). (Dacarro et al. 2018)
Případové studie ultrazvukové syntézy pruské modři
Obecně platí, že pruské modré nanočástice jsou syntetizovány pomocí ultrazvukové metody.
Při této technice 0,05 M roztok K4[Fe(CN)6] se přidá ke 100 ml roztoku kyseliny chlorovodíkové (0,1 mol/l). Výsledné K4[Fe(CN)6] vodný roztok se udržuje při teplotě 40 ° C po dobu 5 hodin, zatímco roztok sonikuje, a poté se nechá vychladnout při pokojové teplotě. Získaný modrý produkt se filtruje a opakovaně promyje destilovanou vodou a absolutním ethanolem a nakonec se suší ve vakuové sušárně při teplotě 25 ° C po dobu 12 hodin.
Hexakyanoferitový analog hexakyanoferitu měďnatého (CuHCF) byl syntetizován následujícím způsobem:
Nanočástice CuHCF byly syntetizovány podle následující rovnice:
Cu(NE3)3 +K4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
CuHCF nanočástice jsou syntetizovány metodou vyvinutou Bionim a kol., 2007. Směs 10 ml 20 mmol L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 mol L-1 Roztok KCl s 10 ml 20 mmol l-1 CuCl2 + 0,1 mol L-1 KCl, v sonikační baňce. Směs je poté ozářena ultrazvukovým zářením o vysoké intenzitě po dobu 60 minut pomocí přímo ponorného titanového rohu (20 kHz, 10 Wcm)-1), který byl ponořen do hloubky 1 cm do roztoku. Během směsi je pozorován výskyt světle hnědého usazeniny. Tato disperze se dialyzuje po dobu 3 dnů, aby se získala velmi stabilní, světle hnědě zbarvená disperze.
(srov. Jassal et al. 2015)
TEM mikrofotografie pruských modrých nanokostek stabilizovaných citrátem
studie a obraz: Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006) syntetizovali nanočástice pruské modři sonochemickou cestou z K4[Fe(CN)6], ve kterém Fe2+ vznikl rozkladem [FeII(CN)6]4− ultrazvukovým ozařováním v kyselině chlorovodíkové; Fe2+ byl oxidován na Fe3+ reagovat se zbývajícím [FeII(CN)6]4− iontů. Výzkumná skupina dospěla k závěru, že rovnoměrná distribuce velikosti syntetizovaných pruských modrých nanokostek je způsobena účinky ultrazvuku. Obrázek FE-SEM vlevo ukazuje sonochemicky syntetizované nanokostky hexakyanoželezitanu železa od výzkumné skupiny Wu.
Rozsáhlá syntéza: k přípravě nanočástic PB ve velkém měřítku, PVP (250 g) a K3[Fe(CN)6] (19,8 g) byly přidány do 2 000 ml roztoku HCl (1 M). Roztok byl sonikován, dokud nebyl čirý, a poté umístěn do pece při teplotě 80 °C, aby se dosáhlo reakce stárnutí po dobu 20–24 hodin. Směs byla poté odstřeďována při 20 000 otáčkách za minutu po dobu 2 hodin za účelem sběru PB nanočástic. (Bezpečnostní poznámka: Aby se vyloučil jakýkoli vytvořený HCN, měla by být reakce prováděna v digestoři).
Sonoelektrochemická syntéza pruské modři
Další vysoce účinnou technikou syntézy pruské modři je sono-elektrochemická cesta, která synergicky kombinuje elektrochemickou depozici s ultrazvukem o vysoké intenzitě. Tato metoda zvyšuje transport hmoty, urychluje kinetiku nukleace a podporuje rovnoměrnou tvorbu nanočástic prostřednictvím kavitací indukovaného mikromíchání a aktivace povrchu. Díky tomu je sono-elektrochemická syntéza pruské modři spolehlivou cestou pro průmyslovou výrobu pruské modři v nanorozměrech.
Přečtěte si více o sono-elektrochemickém zařízení pro syntézu pruské modři!
Ultrazvukové sondy a sonochemické reaktory pro syntézu pruské modři
Hielscher Ultrasonics je dlouholetým výrobcem vysoce výkonných sonikátorů, které se používají po celém světě ve výzkumných laboratořích a průmyslové výrobě. Sonochemická syntéza a srážení nanočástic a pigmentů je náročná aplikace, která vyžaduje vysoce výkonné ultrazvukové sondy, které generují konstantní amplitudy. Všechny sonikátory Hielscher jsou navrženy a vyrobeny tak, aby mohly být provozovány 24 hodin denně, 7 dní v týdnu při plném zatížení. Ultrazvukové procesory jsou k dispozici od kompaktních 50 W ultrazvukových sond až po 16 000 W výkonné inline ultrazvukové reaktory. Široká škála posilovacích rohů, sonotrod a průtokových cel umožňuje individuální nastavení sonochemického systému v souladu s prekurzory, cestou a konečným produktem.
Sonochemická syntéza – Dávkové nebo řadové přizpůsobené vašim potřebám
Ultrazvukové sondy Hielscher lze použít pro dávkovou i kontinuální inline sonikaci. V závislosti na objemu reakce a její rychlosti vám doporučíme nejvhodnější ultrazvukové nastavení. Laboratorní, stolní, pilotní a plně průmyslové sonikátory umožňují zpracování jakéhokoli objemu.
Nejvyšší standardy kvality – Navrženo a vyrobeno v Německu
Jako rodinný podnik Hielscher upřednostňuje nejvyšší standardy kvality pro své ultrazvukové procesory. Všechny ultrazvukové přístroje jsou navrženy, vyrobeny a důkladně testovány v našem sídle v Teltowu u Berlína v Německu. Robustnost a spolehlivost ultrazvukových zařízení Hielscher z nich dělá pracovního koně ve vaší výrobě. Nepřetržitý provoz při plném zatížení a v náročném prostředí je přirozenou vlastností vysoce výkonných ultrazvukových sond a reaktorů Hielscher.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k pilot a industriální škála.
Fakta, která stojí za to vědět
Co je pruská modř?
Pruská modř je chemicky správně označována jako hexakyanoželezitan železitý (hexakyanoželezitan železitý (II, III)), ale hovorově je také známý jako berlínská modř, železitý ferokyanid, železitý hexakyanoželezitý železitý, železitý ferokyanid železitý, hexakyanoželezitan železitý (II) a pařížská modř.
Pruská modř je popisována jako tmavě modrý pigment, který vzniká při oxidaci železnatých ferolenayidových solí. Obsahuje hexakyanoželezitan železitý (II) v krystalové struktuře kubické mřížky. Je nerozpustný ve vodě, ale také má tendenci tvořit koloid, takže může existovat buď v koloidní nebo ve vodě rozpustné formě a nerozpustné formě. Podává se perorálně pro klinické účely, které mají být použity jako protijed pro určité druhy otravy těžkými kovy, jako je thalium a radioaktivní izotopy cesia.
Analogy hexakyanoželezitanu železa (pruská modř) jsou hexakyanoželezitan měďnatý, hexakyanoželezitan kobaltnatý, hexakyanoželezitan zinečnatý a hexakyanoželezitan niklu.
Co jsou to struktury kovově-organických rámců?
Kovově-organické rámce (MOFs) jsou třídou sloučenin skládajících se z kovových iontů nebo klastrů koordinovaných s organickými ligandy, které mohou tvořit jedno-, dvou- nebo trojrozměrné struktury. Jsou podtřídou koordinačních polymerů. Koordinační polymery jsou tvořeny kovy, které jsou spojeny ligandy (tzv. linkerovými molekulami) tak, aby vznikaly opakující se koordinační motivy. Mezi jejich hlavní vlastnosti patří krystalinita a to, že jsou často porézní.
Přečtěte si více o ultrazvukové syntéze struktur kovo-organického rámce (MOF)!
Sodíkovo-iontové baterie
Sodíkovo-iontová baterie (NIB) je typ dobíjecí baterie. Na rozdíl od lithium-iontové baterie používá sodíková iontová baterie jako nosiče náboje sodíkové ionty (Na+) místo lithia. Jinak je složení, princip fungování a konstrukce článků v zásadě totožná s běžnými a široce používanými lithium-iontovými bateriemi. Hlavní rozdíl mezi těmito dvěma typy baterií spočívá v tom, že v Li-ion kondenzátorech se používají sloučeniny lithia, zatímco v Na-ion bateriích jsou použity sodíkové kovy. To znamená, že katoda sodíkovo-iontové baterie obsahuje sodík nebo sodíkové kompozity a anodu (nemusí to být nutně materiál na bázi sodíku) a také kapalný elektrolyt obsahující disociované sodné soli v polárních protických nebo aprotických rozpouštědlech. Během nabíjení Na+ jsou extrahovány z katody a vloženy do anody, zatímco elektrony procházejí vnějším obvodem; během vybíjení dochází k opačnému procesu, kdy Na+ jsou extrahovány z anody a znovu vloženy do katody, přičemž elektrony procházející vnějším obvodem odvádějí užitečnou práci. V ideálním případě by materiály anody a katody měly být schopny odolat opakovaným cyklům skladování sodíku bez degradace, aby byl zajištěn dlouhý životní cyklus.
Sonochemická syntéza je spolehlivá a účinná technika výroby vysoce kvalitních sypkých sodných kovových solí, které lze použít pro výrobu sodíkových iontových kondenzátorů. Syntéza sodíkového prášku se provádí ultrazvukovou disperzí roztaveného kovového sodíku v minerálním oleji.
Literatura / Reference
- Xinglong Wu, Minhua Cao, Changwen Hu, Xiaoyan He (2006): Sonochemical Synthesis of Prussian Blue Nanocubes from a Single-Source Precursor. Crystal Growth & Design 2006, 6, 1, 26–28.
- Vidhisha Jassal, Uma Shanker, Shiv Shanka (2015): Synthesis, Characterization and Applications of Nano-structured Metal Hexacyanoferrates: A Review. Journal of Environmental Analytical Chemistry 2015.
- Giacomo Dacarro, Angelo Taglietti, Piersandro Pallavicini (2018): Prussian Blue Nanoparticles as a Versatile Photothermal Tool. Molecules 2018, 23, 1414.
- Aharon Gedanken (2003): Sonochemistry and its application to nanochemistry. Current Science Vol. 85, No. 12 (25 December 2003), pp. 1720-1722.