Precipitación ultrasónica en húmedo de nanocubos de azul de Prusia

El azul de Prusia o hexacianoferrato de hierro es un marco orgánico metálico (MOF) nanoestructurado que se utiliza en la fabricación de baterías de iones de sodio, biomedicina, tintas y electrónica. La síntesis química húmeda por ultrasonidos es una vía eficaz, fiable y rápida para producir nanocubos de azul de Prusia y análogos del azul de Prusia como el hexacianoferrato de cobre y el hexacianoferrato de níquel. Las nanopartículas de azul de Prusia precipitadas por ultrasonidos se caracterizan por su estrecha distribución granulométrica, su monodispersidad y su alta funcionalidad.

Azul de Prusia y análogos del hexacianoferrato

El azul de Prusia o hexacianoferratos de hierro se utiliza ampliamente como material funcional para diseñar aplicaciones electroquímicas y fabricar sensores químicos, pantallas electrocrómicas, tintas y revestimientos, baterías (baterías de iones de sodio), condensadores y supercondensadores, materiales de almacenamiento de cationes como H+ o Cs+, catalizadores, teranósticos y otros. Debido a su buena actividad redox y alta estabilidad electroquímica, el azul de Prusia es una estructura de marco metalorgánico (MOF) que se utiliza ampliamente para la modificación de electrodos.
Además de otras aplicaciones, el azul de Prusia y sus análogos hexacianoferrato de cobre y hexacianoferrato de níquel se utilizan como tintas de color azul, rojo y amarillo, respectivamente.
Una gran ventaja de las nanopartículas de azul de Prusia es su seguridad. Las nanopartículas de azul de Prusia son totalmente biodegradables, biocompatibles y están aprobadas por la FDA para aplicaciones médicas.

Síntesis sonoquímica de nanocubos de azul de Prusia

La síntesis de nanopartículas de azul de Prusia / hexacianoferrita es una reacción de precipitación heterogénea por vía húmeda. Para obtener nanopartículas con una distribución granulométrica estrecha y monodispersidad, se requiere una ruta de precipitación fiable. La precicipitación ultrasónica es bien conocida por la síntesis fiable, eficiente y sencilla de nanopartículas y pigmentos de alta calidad como magnetita, molibdato de zinc, fosfomolibdato de zinc, diversas nanopartículas core-shell, etc.

Rutas de síntesis química húmeda de nanopartículas de azul de Prusia

La ruta sonoquímica de síntesis de nanopartículas de azul de Prusia es eficaz, sencilla, rápida y respetuosa con el medio ambiente. La precipitación ultrasónica produce nanocubos de azul de Prusia de alta calidad, que se caracterizan por su pequeño tamaño uniforme (aprox. 5 nm), su estrecha distribución de tamaños y su monodispersidad.
Las nanopartículas de azul de Prusia pueden sintetizarse mediante diversas rutas de precipitación con o sin estabilizadores poliméricos.
Evitando el uso de un polímero estabilizador, los nanocubos de azul de Prusia pueden precipitarse simplemente mezclando por ultrasonidos FeCl₃ y K₃[Fe(CN)₆] en presencia de H₂O₂.
El uso de sonoquímica en este tipo de síntesis ayudó a obtener nanopartículas más pequeñas (es decir, de 5 nm de tamaño en lugar de un tamaño de ≈50 nm obtenido sin sonicación). (Dacarro et al. 2018)

Casos prácticos de la síntesis ultrasónica del azul de Prusia

Generalmente, las nanopartículas de azul de Prusia se sintetizan empleando el método de ultrasonidos.
En esta técnica, se utiliza una solución 0,05 M de K₄[Fe(CN)₆] se añade a 100 ml de solución de ácido clorhídrico de (0,1 mol/L). El K₄[Fe(CN)₆La solución acuosa se mantiene a 40ºC durante 5 h mientras se sonicaba la solución y después se deja enfriar a temperatura ambiente. El producto azul obtenido se filtra y se lava repetidamente con agua destilada y etanol absoluto y finalmente se seca en estufa de vacío a 25ºC durante 12 h.

El análogo de la hexacianoferrita, la hexacianoferrita de cobre (CuHCF), se sintetizó mediante la siguiente ruta:
Las nanopartículas de CuHCF se sintetizaron según la siguiente ecuación:
Cu(NO₃)₃ + K₄[Fe(CN)₆] —> Cu₄[Fe(CN)₆] + KN0₃

Las nanopartículas de CuHCF se sintetizan por el método desarrollado por Bioni et al., 2007 [1]. La mezcla de 10 mL de 20 mmol L^-1 K₃[Fe(CN)₆] + 0,1 mol L^-1 KCl con 10 mL de solución de 20 mmol L^-1 CuCl₂ + 0,1 mol L^-1 KCl, en un matraz de sonicación. A continuación, se irradia la mezcla con ultrasonidos de alta intensidad durante 60 minutos, empleando una bocina de titanio de inmersión directa (20 kHz, 10Wcm^-1) que se sumergió hasta una profundidad de 1 cm en la solución. Durante la mezcla, se observa la aparición de un depósito de color marrón claro. Esta dispersión se dializa durante 3 días para obtener una dispersión muy estable de color marrón claro.
(cf. Jassal et al. 2015)

Wu et al. (2006) sintetizaron nanopartículas de azul de Prusia por vía sonoquímica a partir de K₄[Fe(CN)₆], en el que el Fe2+ se produjo por descomposición de [FeII(CN)6]4- por irradiación ultrasónica en ácido clorhídrico; el Fe²⁺ se oxidó a Fe³⁺ para reaccionar con el [FeII(CN)₆4-. El grupo de investigación llegó a la conclusión de que la distribución uniforme del tamaño de los nanocubos de azul de Prusia sintetizados se debe a los efectos de la ultrasonicación. La imagen FE-SEM de la izquierda muestra nanocubos de hexacianoferrato de hierro sintetizados sonoquímicamente por el grupo de investigación de Wu.

Síntesis a gran escala: para preparar nanopartículas de PB a gran escala, se utilizó PVP (250 g) y K₃[Fe(CN)₆] (19,8 g) en 2.000 mL de solución de HCl (1 M). La solución se sonicó hasta que se aclaró y después se colocó en un horno a 80°C para conseguir una reacción de envejecimiento durante 20-24 horas. A continuación, la mezcla se centrifugó a 20.000 rpm durante 2 horas para recoger las nanopartículas de PB. (Nota de seguridad: para expulsar el HCN creado, la reacción debe llevarse a cabo en una campana extractora).

Sondas ultrasónicas y reactores sonoquímicos para la síntesis del azul de Prusia

Hielscher Ultrasonics es desde hace mucho tiempo fabricante de equipos de ultrasonidos de alto rendimiento que se utilizan en todo el mundo en laboratorios y en la producción industrial. La síntesis y precipitación sonoquímica de nanopartículas y pigmentos es una aplicación exigente que requiere sondas ultrasónicas de alta potencia que generen amplitudes constantes. Todos los dispositivos ultrasónicos de Hielscher están diseñados y fabricados para funcionar durante 24 horas al día, 7 días a la semana, a plena carga. Los procesadores ultrasónicos están disponibles desde compactos ultrasonicadores de laboratorio de 50 vatios hasta potentes sistemas ultrasónicos en línea de 16.000 vatios. Una amplia variedad de bocinas de refuerzo, sonotrodos y celdas de flujo permiten la configuración individual de un sistema sonoquímico en correspondencia con los precursores, la vía y el producto final.
Hielscher Ultrasonics fabrica sondas ultrasónicas de alto rendimiento que pueden ajustarse específicamente para ofrecer el espectro completo de amplitudes muy suaves a muy altas. Si su aplicación sonoquímica requiere especificaciones inusuales (por ejemplo, temperaturas muy altas), disponemos de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes.

Síntesis sonoquímica por lotes e inline

Las sondas ultrasónicas de Hielscher pueden utilizarse para la sonicación en línea continua o por lotes. Dependiendo del volumen de reacción y de la velocidad de reacción, le recomendaremos la configuración ultrasónica más adecuada.

Sondas ultrasónicas y sonorreactores para cualquier volumen

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics cubre todo el espectro de procesadores por ultrasonidos, desde compactos ultrasonicadores de laboratorio, pasando por sistemas de sobremesa y piloto, hasta procesadores por ultrasonidos totalmente industriales con capacidad para procesar camiones cargados por hora. La gama completa de productos nos permite ofrecerle el equipo de ultrasonidos más adecuado para su líquido, capacidad de proceso y objetivos de producción.

Amplitudes controlables con precisión para resultados óptimos

Todos los procesadores por ultrasonidos de Hielscher se pueden controlar con precisión y, por tanto, son caballos de batalla fiables. La amplitud es uno de los parámetros cruciales del proceso que influyen en la eficiencia y eficacia de las reacciones inducidas sonoquímica y sonomecánicamente. Todos los ultrasonidos de Hielscher’ permiten ajustar con precisión la amplitud. Los sonotrodos y las bocinas de refuerzo son accesorios que permiten modificar la amplitud en un rango aún más amplio. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas y ofrecer la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ajustes precisos de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante un software inteligente le ofrecen la posibilidad de sintetizar sus nanocubos de azul de Prusia y análogos del hexacianoferrato en las condiciones ultrasónicas más eficaces. Sonicación óptima para una síntesis de nanopartículas más eficaz.
La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en entornos exigentes. Esto convierte a los equipos de ultrasonidos de Hielscher en una herramienta de trabajo fiable que satisface los requisitos de sus procesos sonoquímicos.

Máxima calidad – Diseñado y fabricado en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher prioriza los más altos estándares de calidad para sus procesadores por ultrasonidos. Todos los equipos de ultrasonidos se diseñan, fabrican y prueban exhaustivamente en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín (Alemania). La robustez y fiabilidad de los equipos de ultrasonidos de Hielscher los convierten en un caballo de batalla en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica natural de las sondas y reactores ultrasónicos de alto rendimiento de Hielscher.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: