Vådfældning af nanokuber af berlinerblåt med ultralyd

Berlinerblåt eller jernhexacyanoferrat er et nanostruktureret metalorganisk netværk (MOF), der anvendes til fremstilling af natriumionbatterier samt inden for biomedicin, blæk og elektronik. Vådkemisk syntese med ultralyd er en effektiv, pålidelig og hurtig metode til fremstilling af nanokuber af berlinerblåt og analoger til berlinerblåt såsom kobberhexacyanoferrat og nikkelhexacyanoferrat. Nanopartikler af berlinerblåt, der er udfældet med ultralyd, er kendetegnet ved en snæver partikelstørrelsesfordeling, monodispersitet og høj funktionalitet.

Berlinerblåt og hexacyanoferratanaloger

Berlinerblåt eller jernhexacyanoferrater anvendes i vid udstrækning som funktionelt materiale til udformning af elektrokemiske anvendelser og til fremstilling af kemiske sensorer, elektrokrome displays, blæk og belægninger, batterier (natriumionbatterier), kondensatorer og superkondensatorer, materialer til lagring af kationer såsom H+ eller Cs+, katalysatorer, teranostiske midler og andet. På grund af sin gode redoxaktivitet og høje elektrokemiske stabilitet er berlinerblåt en metalorganisk netværksstruktur (MOF), der anvendes i vid udstrækning til elektrodemodifikation.
Ud over forskellige andre anvendelser bruges berlinerblåt og dets analoger kobberhexacyanoferrat og nikkelhexacyanoferrat som farveblæk i henholdsvis blå, rød og gul.
En meget stor fordel ved nanopartikler af berlinerblåt er deres sikkerhed. Nanopartikler af berlinerblåt er fuldt biologisk nedbrydelige, biokompatible og godkendt af FDA til medicinske anvendelser.

Sonokemisk syntese af nanokuber af berlinerblåt

Syntesen af nanopartikler af berlinerblåt / hexacyanoferrit er en heterogen vådkemisk udfældningsreaktion. For at opnå nanopartikler med en snæver partikelstørrelsesfordeling og monodispersitet kræves en pålidelig udfældningsmetode. Udfældning med ultralyd er velkendt som en pålidelig, effektiv og enkel metode til syntese af nanopartikler og pigmenter af høj kvalitet såsom magnetit, zinkmolybdat, zinkfosfomolybdat, forskellige kerne-skal-nanopartikler osv.

Vådkemiske syntesemetoder til nanopartikler af berlinerblåt

Den sonokemiske metode til syntese af nanopartikler af berlinerblåt er effektiv, enkel, hurtig og miljøvenlig. Udfældning med ultralyd giver nanokuber af berlinerblåt af høj kvalitet, som er kendetegnet ved en ensartet lille størrelse (ca. 5nm), snæver størrelsesfordeling og monodispersitet.
Nanopartikler af berlinerblåt kan syntetiseres ved forskellige udfældningsmetoder med eller uden polymere stabilisatorer.
Uden brug af en stabiliserende polymer kan nanokuber af berlinerblåt udfældes blot ved at blande FeCl₃ og K₃[Fe(CN)₆] med ultralyd i nærvær af H₂O₂.
Brugen af sonokemi i denne type syntese bidrog til at opnå mindre nanopartikler (dvs. en størrelse på 5 nm i stedet for den størrelse på ≈50 nm, der blev opnået uden sonikering). (Dacarro et al. 2018)

Casestudier af syntese af berlinerblåt med ultralyd

Generelt syntetiseres nanopartikler af berlinerblåt ved hjælp af sonikering.
Ved denne teknik tilsættes en 0,05 M opløsning af K₄[Fe(CN)₆] til 100 ml saltsyreopløsning med en koncentration på (0,1 mol/L). Den resulterende vandige opløsning af K₄[Fe(CN)₆] holdes ved 40ºC i 5 h, mens opløsningen sonikeres, og får derefter lov til at køle af ved stuetemperatur. Det opnåede blå produkt filtreres og vaskes gentagne gange med destilleret vand og absolut ethanol og tørres til sidst i en vakuumovn ved 25ºC i 12 h.

Hexacyanoferritanalogen kobberhexacyanoferrit (CuHCF) blev syntetiseret ved følgende metode:
CuHCF-nanopartiklerne blev syntetiseret i henhold til følgende ligning:
Cu(NO₃)₃ + K₄[Fe(CN)₆] –> Cu₄[Fe(CN)₆] + KN0₃

CuHCF-nanopartikler syntetiseres ved den metode, der blev udviklet af Bioni et al., 2007. Blandingen af 10 mL opløsning af 20 mmol L^-1 K₃[Fe(CN)₆] + 0,1 mol L^-1 KCl med 10 mL opløsning af 20 mmol L^-1 CuCl₂ + 0,1 mol L^-1 KCl i en sonikeringskolbe. Blandingen bestråles derefter med højintensiv ultralyd i 60 min ved hjælp af et direkte nedsænket titaniumhorn (20 kHz, 10Wcm^-1), der blev sænket 1 cm ned i opløsningen. Under blandingen observeres dannelsen af et lysebrunt bundfald. Denne dispersion dialyseres over 3 dage for at opnå en meget stabil, lysebrun dispersion.
(jf. Jassal et al. 2015)

Wu et al. (2006) syntetiserede nanopartikler af berlinerblåt ad sonokemisk vej ud fra K₄[Fe(CN)₆], hvor Fe2+ blev dannet ved nedbrydning af [FeII(CN)6]4− ved ultralydsbestråling i saltsyre; Fe²⁺ blev oxideret til Fe³⁺ for at reagere med de resterende [FeII(CN)₆]4−-ioner. Forskergruppen konkluderede, at den ensartede størrelsesfordeling af de syntetiserede nanokuber af berlinerblåt skyldes virkningerne af sonikering. FE-SEM-billedet til venstre viser jernhexacyanoferrat-nanokuber, som Wus forskergruppe har syntetiseret sonokemisk.

Syntese i stor skala: for at fremstille PB-nanopartikler i stor skala blev PVP (250 g) og K₃[Fe(CN)₆] (19,8 g) tilsat til 2.000 mL HCl-opløsning (1 M). Opløsningen blev sonikeret, indtil den var klar, og derefter anbragt i en ovn ved 80°C for at gennemføre en ældningsreaktion i 20–24 timer. Blandingen blev derefter centrifugeret ved 20.000 rpm i 2 timer for at opsamle PB-nanopartiklerne. (Sikkerhedsbemærkning: For at bortlede eventuelt dannet HCN bør reaktionen udføres i et stinkskab).

Sonoelektrokemisk syntese af berlinerblåt

En anden meget effektiv synteseteknik til berlinerblåt er den sonoelektrokemiske metode, som synergistisk kombinerer elektrokemisk aflejring med højintensiv ultralyd. Denne metode forbedrer massetransporten, accelererer kernedannelseskinetikken og fremmer ensartet dannelse af nanopartikler gennem kavitationsinduceret mikroblanding og overfladeaktivering. Dette gør sonoelektrokemisk syntese af berlinerblåt til en pålidelig metode til industriel produktion af berlinerblåt i nanoskala.
Læs mere om den sonoelektrokemiske opstilling til syntese af berlinerblåt!

Ultralydssonder og sonokemiske reaktorer til syntese af berlinerblåt

Hielscher Ultrasonics er en producent med mange års erfaring inden for højtydende sonikeringsapparater, der anvendes over hele verden i forskningslaboratorier og industriel produktion. Sonokemisk syntese og udfældning af nanopartikler og pigmenter er en krævende anvendelse, der kræver effektstærke ultralydssonder, som genererer konstante amplituder. Alle sonikeringsapparater fra Hielscher er konstrueret og fremstillet til drift 24/7 under fuld belastning. Ultralydsprocessorer fås fra kompakte ultralydssonder på 50 watt til kraftfulde inline-ultralydsreaktorer på 16.000 watt. Et bredt udvalg af boosterhorn, sonotroder og flowceller muliggør individuel konfiguration af et sonokemisk system i overensstemmelse med prækursorerne, syntesevejen og slutproduktet.

Sonokemisk syntese – batch eller inline tilpasset dine behov

Ultralydssonder fra Hielscher kan anvendes til batchsonikering og kontinuerlig inline-sonikering. Afhængigt af reaktionsvolumen og reaktionshastighed anbefaler vi den bedst egnede ultralydsopstilling til dig. Sonikeringsapparater til laboratoriet, bordopstilling, pilotdrift og fuld industriel drift gør det muligt at behandle ethvert volumen.

De højeste kvalitetsstandarder – udviklet og fremstillet i Tyskland

Som en familieejet og familiedrevet virksomhed prioriterer Hielscher de højeste kvalitetsstandarder for sine ultralydsprocessorer. Alle ultralydsapparater udvikles, fremstilles og testes grundigt på vores hovedsæde i Teltow nær Berlin i Tyskland. Robustheden og pålideligheden af ultralydsudstyret fra Hielscher gør det til en arbejdshest i din produktion. Drift 24/7 under fuld belastning og i krævende miljøer er en naturlig egenskab ved højtydende ultralydssonder og reaktorer fra Hielscher.

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: