Berliini sinise nanokuubikute märgsadestamine ultrahelis

Berliini sinine ehk raudheksatsüanoferraat on nanostruktuurne metall-orgaaniline raamstruktuur (MOF), mida kasutatakse naatriumioonakude tootmisel, biomeditsiinis, tintides ja elektroonikas. Ultraheliga märgkeemiline süntees on tõhus, usaldusväärne ja kiire viis Berliini sinise nanokuubikute ning Berliini sinise analoogide, näiteks vaskheksatsüanoferraadi ja nikkelheksatsüanoferraadi, tootmiseks. Ultraheliga sadestatud Berliini sinise nanoosakesi iseloomustavad kitsas osakeste suurusjaotus, monodispersiivsus ja kõrge funktsionaalsus.

Berliini sinine ja heksatsüanoferraadi analoogid

Berliini sinist ehk raudheksatsüanoferraate kasutatakse laialdaselt funktsionaalse materjalina elektrokeemiliste rakenduste kavandamisel ning keemiliste andurite, elektrokroomsete ekraanide, tintide ja katete, akude (naatriumioonakud), kondensaatorite ja superkondensaatorite, katioonide (nt H+ või Cs+) salvestusmaterjalide, katalüsaatorite, teranostikavahendite ja muu valmistamisel. Tänu heale redoksaktiivsusele ja kõrgele elektrokeemilisele stabiilsusele on Berliini sinine metall-orgaaniline raamstruktuur (MOF), mida kasutatakse laialdaselt elektroodide modifitseerimiseks.
Lisaks mitmetele teistele rakendustele kasutatakse Berliini sinist ning selle analooge vaskheksatsüanoferraati ja nikkelheksatsüanoferraati vastavalt sinise, punase ja kollase värvi tintidena.
Berliini sinise nanoosakeste suur eelis on nende ohutus. Berliini sinise nanoosakesed on täielikult biolagunevad, biosobivad ja FDA on need meditsiinilisteks rakendusteks heaks kiitnud.

Berliini sinise nanokuubikute sonokeemiline süntees

Berliini sinise / heksatsüanoferriit-nanoosakeste süntees on heterogeense märgkeemilise sadestamise reaktsioon. Kitsa osakeste suurusjaotuse ja monodispersiivsusega nanoosakeste saamiseks on vaja usaldusväärset sadestamisviisi. Ultraheliga sadestamine on tuntud kvaliteetsete nanoosakeste ja pigmentide, näiteks magnetiidi, tsinkmolübdaadi, tsinkfosfomolübdaadi ja mitmesuguste tuuma-kesta nanoosakeste jne, usaldusväärse, tõhusa ja lihtsa sünteesi poolest.

Berliini sinise nanoosakeste märgkeemilised sünteesiteed

Berliini sinise nanoosakeste sonokeemiline sünteesitee on tõhus, lihtne, kiire ja keskkonnasõbralik. Ultraheliga sadestamine annab kvaliteetseid Berliini sinise nanokuubikuid, mida iseloomustavad ühtlane väike suurus (ca 5nm), kitsas suurusjaotus ja monodispersiivsus.
Berliini sinise nanoosakesi saab sünteesida erinevate sadestamisviiside kaudu polümeersete stabilisaatoritega või ilma nendeta.
Stabiliseeriva polümeeri kasutamist vältides saab Berliini sinise nanokuubikuid sadestada lihtsalt segades ultraheliga FeCl₃ ja K₃[Fe(CN)₆] kui kohal on H₂O₂.
Sonokeemia kasutamine sellises sünteesis aitas saada väiksemaid nanoosakesi (st 5 nm suurusega, mitte ≈50 nm suurusega, mida saadi ilma ultraheli töötluseta). (Dacarro et al. 2018)

Ultraheliga Berliini sinise sünteesi juhtumiuuringud

Üldiselt sünteesitakse Berliini sinise nanoosakesi ultraheli töötluse meetodil.
Selle tehnika puhul lisatakse 0,05 M K₄[Fe(CN)₆] lahus 100 ml vesinikkloriidhappe lahusele (0,1 mol/L). Saadud K₄[Fe(CN)₆] vesilahust hoitakse 40ºC juures 5 h, samal ajal lahust ultraheliga töödeldes, ning seejärel lastakse sel toatemperatuuril jahtuda. Saadud sinine produkt filtreeritakse ning pestakse korduvalt destilleeritud vee ja absoluutse etanooliga ning lõpuks kuivatatakse vaakumahjus 25ºC juures 12 h.

Heksatsüanoferriit-analoog vaskheksatsüanoferriit (CuHCF) sünteesiti järgmist teed pidi:
CuHCF nanoosakesed sünteesiti järgmise võrrandi järgi:
Cu(NO₃)₃ + K₄[Fe(CN)₆] –> Cu₄[Fe(CN)₆] + KN0₃

CuHCF nanoosakesi sünteesitakse Bioni et al., 2007 välja töötatud meetodil. Sonikeerimiskolvis segatakse 10 mL 20 mmol L^-1 K₃[Fe(CN)₆] + 0,1 mol L^-1 KCl lahust 10 mL-ga 20 mmol L^-1 CuCl₂ + 0,1 mol L^-1 KCl. Segu kiiritatakse seejärel 60 min jooksul suure intensiivsusega ultrahelikiirgusega, kasutades otsese sukeldamisega titaansarvt (20 kHz, 10Wcm^-1), mis sukeldati lahusesse 1 cm sügavusele. Segamise ajal täheldatakse helepruuni sadet. Seda dispersiooni dialüüsitakse 3 päeva, et saada väga stabiilne, helepruuni värvusega dispersioon.
(vrd Jassal et al. 2015)

Wu et al. (2006) sünteesisid Berliinisinise nanoosakesi sonokeemilisel teel lähteainest K₄[Fe(CN)₆], milles Fe2+ tekkis [FeII(CN)6]4− lagunemisel ultraheliga kiiritamisel soolhappes; Fe²⁺ oksüdeeriti vormiks Fe³⁺ reageerimiseks ülejäänud [FeII(CN)₆]4− ioonidega. Uurimisrühm jõudis järeldusele, et sünteesitud Berliinisinise nanokuubikute ühtlane suurusjaotus on tingitud ultraheli töötluse mõjust. FE-SEM pilt vasakul näitab Wu uurimisrühma sonokeemiliselt sünteesitud raudheksatsüanoferraadi nanokuubikuid.

Suuremahuline süntees: PB nanoosakeste valmistamiseks suures mahus lisati PVP (250 g) ja K₃[Fe(CN)₆] (19,8 g) 2 000 mL-sse HCl lahusesse (1 M). Lahust sonikeeriti, kuni see muutus selgeks, ning asetati seejärel 80°C ahju vananemisreaktsiooni läbiviimiseks 20–24 tunni jooksul. Seejärel tsentrifuugiti segu kiirusel 20 000 rpm 2 tundi PB nanoosakeste kogumiseks. (Ohutusmärkus: tekkinud HCN-i eemaldamiseks tuleb reaktsioon läbi viia tõmbekapis).

Berliinisinise sono-elektrokeemiline süntees

Teine väga tõhus Berliinisinise sünteesimeetod on sono-elektrokeemiline meetod, mis ühendab sünergiliselt elektrokeemilise sadestamise suure intensiivsusega ultrahelile. See meetod parandab massiülekannet, kiirendab tuumumiskineetikat ja soodustab ühtlast nanoosakeste teket kavitatsioonist põhjustatud mikrosegamise ja pinna aktiveerimise kaudu. See muudab sono-elektrokeemilise Berliinisinise sünteesi usaldusväärseks viisiks nanomõõtmelise Berliinisinise tööstuslikuks tootmiseks.
Loe lähemalt Berliinisinise sünteesi sono-elektrokeemilisest seadmestikust!

Ultraheli sondid ja sonokeemilised reaktorid Berliinisinise sünteesiks

Hielscher Ultrasonics on pikaajalise kogemusega suure jõudlusega sonikaatorite tootja, mida kasutatakse kogu maailmas teaduslaborites ja tööstuslikus tootmises. Nanoosakeste ja pigmentide sonokeemiline süntees ja sadestamine on nõudlik rakendus, mis vajab suure võimsusega ultraheli sonde, mis tekitavad püsiva amplituudi. Kõik Hielscher sonikaatorid on projekteeritud ja toodetud töötama 24/7 täiskoormusel. Ultraheliprotsessorid on saadaval alates kompaktsetest 50-vatistest ultraheli sondidest kuni 16 000-vatiste võimsate liinisiseste ultraheli reaktoriteni. Lai valik võimendussarvi, sonotroode ja läbivoolukambreid võimaldab sonokeemilise süsteemi individuaalset kokkupanekut vastavalt lähteainetele, reaktsiooniteele ja lõpptootele.

Sonokeemiline süntees – partiiviisiline või liinisisene, kohandatud teie vajadustele

Hielscher ultraheli sonde saab kasutada partiiviiseliseks ja pidevaks liinisiseseks ultraheli töötluseks (sonikeerimiseks). Sõltuvalt reaktsiooni mahust ja reaktsioonikiirusest soovitame teile sobivaimat ultraheliseadistust. Labori-, lauaseadmed, pilootmõõtkava ja täielikult tööstuslikud sonikaatorid võimaldavad töödelda mis tahes mahtu.

Kõrgeimad kvaliteedistandardid – projekteeritud ja toodetud Saksamaal

Perefirmana ja pereettevõttena seab Hielscher oma ultraheli protsessoritele kõrgeimad kvaliteedistandardid. Kõik ultraheli seadmed (ultrasonikaatorid) kavandatakse, toodetakse ja testitakse põhjalikult meie peakorteris Teltowis Berliini lähedal Saksamaal. Hielscheri ultraheliseadmete töökindlus ja usaldusväärsus muudavad need teie tootmises tööhobuseks. Töö 24/7 täiskoormusel ja nõudlikes keskkondades on Hielscheri suure jõudlusega ultraheli sondide ja reaktorite loomulik omadus.

Allolev tabel annab ülevaate meie ultraheli seadmete ligikaudsest töötlemisvõimsusest: