Précipitation humide ultrasonique de nanocubes de bleu de Prusse
Le bleu de Prusse ou hexacyanoferrate de fer est un cadre organique métallique (MOF) nanostructuré, utilisé dans la fabrication de batteries sodium-ion, la biomédecine, les encres et l'électronique. La synthèse chimique humide par ultrasons est une méthode efficace, fiable et rapide pour produire des nanocubes de bleu de Prusse et des analogues du bleu de Prusse tels que l'hexacyanoferrate de cuivre et l'hexacyanoferrate de nickel. Les nanoparticules de bleu de Prusse précipitées par ultrasons se caractérisent par une distribution étroite de la taille des particules, une mono-dispersité et une fonctionnalité élevée.
Bleu de Prusse et analogues de l'hexacyanoferrate
Le bleu de Prusse ou les hexacyanoferrates de fer sont largement utilisés comme matériau fonctionnel pour concevoir des applications électrochimiques et fabriquer des capteurs chimiques, des écrans électrochromes, des encres et des revêtements, des batteries (batteries sodium-ion), des condensateurs et des supercondensateurs, des matériaux de stockage de cations tels que pour H+ ou Cs+, des catalyseurs, des produits théranostiques et autres. En raison de sa bonne activité redox et de sa grande stabilité électrochimique, le bleu de Prusse est une structure métallo-organique (MOF) largement utilisée pour modifier les électrodes.
Outre diverses autres applications, le bleu de Prusse et ses analogues, l'hexacyanoferrate de cuivre et l'hexacyanoferrate de nickel, sont utilisés comme encres de couleur bleue, rouge et jaune, respectivement.
La sécurité des nanoparticules de bleu de Prusse constitue un avantage considérable. Les nanoparticules de bleu de Prusse sont entièrement biodégradables, biocompatibles et approuvées par la FDA pour des applications médicales.
L'ultrasonificateur UIP2000hdT est un puissant dispositif sonochimique pour la synthèse et la précipitation de nanoparticules.
Synthèse sonochimique de nanocubes de bleu de Prusse
La synthèse des nanoparticules de bleu de Prusse / hexacyanoferrite est une réaction de précipitation hétérogène par voie humide. Afin d'obtenir des nanoparticules avec une distribution granulométrique étroite et une monodispersité, une voie de précipitation fiable est nécessaire. La précipitation ultrasonique est bien connue pour la synthèse fiable, efficace et simple de nanoparticules et de pigments de haute qualité tels que la magnétite, le molybdate de zinc, le phosphomolybdate de zinc, diverses nanoparticules à noyau-coquille, etc.
Routes de synthèse par voie humide des nanoparticules de bleu de Prusse
La voie sonochimique de synthèse des nanoparticules de bleu de Prusse est efficace, facile, rapide et respectueuse de l'environnement. La précipitation ultrasonique permet d'obtenir des nanocubes de bleu de Prusse de haute qualité, caractérisés par une petite taille uniforme (environ 5 nm), une distribution de taille étroite et une monodispersité.
Les nanoparticules de bleu de Prusse peuvent être synthétisées par diverses méthodes de précipitation, avec ou sans stabilisateurs polymères.
En évitant l'utilisation d'un polymère stabilisant, les nanocubes de bleu de Prusse peuvent être précipités simplement en mélangeant par ultrasons du FeCl3 et K3[Fe(CN)6en présence de H2O2.
L'utilisation de la sonochimie dans ce type de synthèse a permis d'obtenir des nanoparticules plus petites (c'est-à-dire de 5 nm au lieu d'une taille de ≈50 nm obtenue sans sonication). (Dacarro et al. 2018)
Études de cas sur la synthèse du bleu de Prusse par ultrasons
Généralement, les nanoparticules de bleu de Prusse sont synthétisées par la méthode des ultrasons.
Dans cette technique, une solution 0,05 M de K4[Fe(CN)6est ajouté à 100 ml de solution d'acide chlorhydrique (0,1 mol/L). Le K4[Fe(CN)6La solution aqueuse de [...] est maintenue à 40 ºC pendant 5 h tout en la soniquant, puis on la laisse refroidir à température ambiante. Le produit bleu obtenu est filtré et lavé à plusieurs reprises avec de l'eau distillée et de l'éthanol absolu, puis séché dans une étuve à vide à 25 °C pendant 12 heures.
L'analogue de l'hexacyanoferrite, l'hexacyanoferrite de cuivre (CuHCF), a été synthétisé selon la méthode suivante :
Les nanoparticules de CuHCF ont été synthétisées selon l'équation suivante :
Cu(NO3)3 + K4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
Les nanoparticules de CuHCF sont synthétisées selon la méthode développée par Bioni et al. en 2007. Le mélange de 10 mL de 20 mmol de L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 mol L-1 KCl avec 10 mL de 20 mmol L-1 CuCl2 + 0,1 mol L-1 KCl, dans un ballon de sonication. Le mélange est ensuite irradié par des ultrasons de haute intensité pendant 60 minutes, à l'aide d'un cornet en titane à immersion directe (20 kHz, 10Wcm-1) qui a été plongé jusqu'à une profondeur de 1 cm dans la solution. Au cours du mélange, on observe l'apparition d'un dépôt brun clair. Cette dispersion est dialysée pendant 3 jours afin d'obtenir une dispersion très stable de couleur marron clair.
(cf. Jassal et al. 2015)
Micrographie TEM de nanocubes de bleu de Prusse stabilisés avec du citrate
étude et image : Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006) ont synthétisé des nanoparticules de bleu de Prusse par voie sonochimique à partir de K4[Fe(CN)6], dans lequel Fe2+ a été produit par la décomposition de [FeII(CN)6]4- par irradiation ultrasonique dans de l'acide chlorhydrique ; le Fe2+ a été oxydé en Fe3+ pour réagir avec les restes de [FeII(CN)6]4-. Le groupe de recherche a conclu que la distribution uniforme de la taille des nanocubes de bleu de Prusse synthétisés est due aux effets de l'ultrasonication. L'image FE-SEM de gauche montre des nanocubes d'hexacyanoferrate de fer synthétisés par voie sonochimique par le groupe de recherche de Wu.
Synthèse à grande échelle : Pour préparer des nanoparticules de PB à grande échelle, on a utilisé du PVP (250 g) et du K3[Fe(CN)6(19,8 g) ont été ajoutés à 2 000 ml de solution de HCl (1 M). La solution a été soniquée jusqu'à ce qu'elle soit claire, puis placée dans un four à 80°C pour obtenir une réaction de vieillissement pendant 20 à 24 heures. Le mélange a ensuite été centrifugé à 20 000 tours/minute pendant 2 heures pour recueillir les nanoparticules de PB. (Note de sécurité : afin d'expulser tout HCN créé, la réaction doit être effectuée sous une hotte).
Synthèse sono-électrochimique du bleu de Prusse
Une autre technique de synthèse très efficace pour le bleu de Prusse est la voie sono-électrochimique, qui combine de manière synergique le dépôt électrochimique et les ultrasons de haute intensité. Cette méthode améliore le transport de masse, accélère la cinétique de nucléation et favorise la formation de nanoparticules uniformes grâce au micro-mélange induit par la cavitation et à l'activation de la surface. Cela fait de la synthèse sono-électrochimique du bleu de Prusse une voie fiable pour la production industrielle de bleu de Prusse à l'échelle nanométrique.
En savoir plus sur l'installation sono-électrochimique pour la synthèse du bleu de Prusse !
Sondes ultrasoniques et réacteurs sonochimiques pour la synthèse du bleu de Prusse
Hielscher Ultrasonics est un fabricant expérimenté de longue date de sonicateurs de haute performance qui sont utilisés dans le monde entier dans les laboratoires de recherche et la production industrielle. La synthèse et la précipitation sonochimiques de nanoparticules et de pigments sont des applications exigeantes qui requièrent des sondes ultrasoniques de grande puissance générant des amplitudes constantes. Tous les sonicateurs Hielscher sont conçus et fabriqués pour fonctionner 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 à pleine charge. Les processeurs ultrasoniques sont disponibles depuis les sondes ultrasoniques compactes de 50 watts jusqu'aux réacteurs ultrasoniques en ligne puissants de 16 000 watts. Une grande variété de pavillons d'amplification, de sonotrodes et de cellules d'écoulement permet la configuration individuelle d'un système sonochimique en fonction des précurseurs, de la voie de passage et du produit final.
synthèse sonochimique – Par lots ou en ligne, selon vos besoins
Les sondes ultrasoniques Hielscher peuvent être utilisées pour la sonication en ligne par lots ou en continu. En fonction du volume et de la vitesse de réaction, nous vous recommanderons l'installation ultrasonique la mieux adaptée. Les sonicateurs de laboratoire, de paillasse, pilotes et entièrement industriels permettent de traiter n'importe quel volume.
Normes de qualité les plus élevées – Conçu et fabriqué en Allemagne
En tant qu'entreprise familiale, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les appareils à ultrasons sont conçus, fabriqués et testés minutieusement dans notre siège social de Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des appareils à ultrasons Hielscher en font des outils de travail pour votre production. Le fonctionnement 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des sondes et réacteurs à ultrasons haute performance de Hielscher.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Qu'il faut savoir
Qu'est-ce que le bleu de Prusse ?
Le bleu de Prusse est appelé chimiquement hexacyanoferrate de fer (hexacyanoferrate(II,III) de fer), mais il est également connu sous les noms de bleu de Berlin, ferrocyanure ferrique, hexacyanoferrate ferrique, ferrocyanure(III), hexacyanoferrate(II) de fer(III), et bleu de Paris.
Le bleu de Prusse est décrit comme un pigment bleu foncé produit par l'oxydation de sels de ferrocyanure ferreux. Il contient de l'hexacyanoferrate(II) ferrique dans une structure cristalline à réseau cubique. Il est insoluble dans l'eau mais tend également à former un colloïde et peut donc exister sous une forme colloïdale ou soluble dans l'eau, et sous une forme insoluble. Il est administré par voie orale à des fins cliniques pour servir d'antidote à certains types d'empoisonnement aux métaux lourds, tels que le thallium et les isotopes radioactifs du césium.
Les analogues de l'hexacyanoferrate de fer (bleu de Prusse) sont l'hexacyanoferrate de cuivre, l'hexacyanoferrate de cobalt, l'hexacyanoferrate de zinc et l'hexacyanoferrate de nickel.
Qu'est-ce qu'une structure métallo-organique ?
Les cadres métallo-organiques (MOF) sont une classe de composés constitués d'ions métalliques ou de clusters coordonnés à des ligands organiques, qui peuvent former des structures unidimensionnelles, bidimensionnelles ou tridimensionnelles. Ils constituent une sous-classe des polymères de coordination. Les polymères de coordination sont formés de métaux liés par des ligands (appelés molécules de liaison) de manière à former des motifs de coordination répétitifs. Leurs principales caractéristiques sont la cristallinité et le fait d'être souvent poreux.
En savoir plus sur la synthèse par ultrasons de structures de type métal-organique (MOF) !
batteries sodium-ion
La batterie sodium-ion (NIB) est un type de batterie rechargeable. Contrairement à la batterie lithium-ion, la batterie sodium-ion utilise des ions sodium (Na+) au lieu du lithium comme porteurs de charge. Pour le reste, la composition, le principe de fonctionnement et la construction des cellules sont largement identiques à ceux des batteries lithium-ion courantes et largement utilisées. La principale différence entre ces deux types de batteries est que les condensateurs Li-ion utilisent des composés de lithium, tandis que les batteries Na-ion utilisent des métaux de sodium. Cela signifie que la cathode d'une batterie sodium-ion contient du sodium ou des composites de sodium et une anode (pas nécessairement un matériau à base de sodium) ainsi qu'un électrolyte liquide contenant des sels de sodium dissociés dans des solvants polaires protiques ou aprotiques. Pendant la charge, les Na+ sont extraits de la cathode et insérés dans l'anode tandis que les électrons circulent dans le circuit externe ; pendant la décharge, le processus inverse se produit : les Na+ sont extraits de l'anode et réinsérés dans la cathode tandis que les électrons circulent dans le circuit externe pour effectuer un travail utile. Idéalement, les matériaux de l'anode et de la cathode devraient pouvoir supporter des cycles répétés de stockage de sodium sans se dégrader afin de garantir un long cycle de vie.
La synthèse sonochimique est une technique fiable et efficace pour produire des sels métalliques de sodium en vrac de haute qualité, qui peuvent être utilisés pour la fabrication de condensateurs sodium-ion. La synthèse de la poudre de sodium est réalisée par dispersion ultrasonique de sodium métallique fondu dans de l'huile minérale.
Littérature / Références
- 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.