שיקוע רטוב אולטרסוני של קוביות ננומטריות של כחול פרוסי

כחול פרוסי או הקסציאנופראט ברזל הוא מסגרת מתכתית־אורגנית (MOF) בעלת מבנה ננומטרי, המשמשת בייצור סוללות יוני נתרן, בביו־רפואה, בדיו ובאלקטרוניקה. סינתזה אולטרסונית בכימיה רטובה היא דרך יעילה, אמינה ומהירה לייצור קוביות ננומטריות של כחול פרוסי ואנלוגים של כחול פרוסי, כגון הקסציאנופראט נחושת והקסציאנופראט ניקל. ננו־חלקיקי כחול פרוסי המשוקעים באמצעות אולטרסאונד מתאפיינים בהתפלגות צרה של גודל החלקיקים, במונודיספרסיות ובפונקציונליות גבוהה.

כחול פרוסי ואנלוגים של הקסציאנופראט

כחול פרוסי או הקסציאנופראטים של ברזל משמשים בהיקף נרחב כחומר פונקציונלי לתכנון יישומים אלקטרוכימיים ולייצור חיישנים כימיים, צגים אלקטרוכרומיים, דיו וציפויים, סוללות (סוללות יוני נתרן), קבלים וקבלי־על, חומרים לאגירת קטיונים כגון H+ או Cs+, זרזים, אמצעים תרנוסטיים ואחרים. בזכות פעילות החמצון־חיזור הטובה שלו ויציבותו האלקטרוכימית הגבוהה, כחול פרוסי הוא מבנה של מסגרת מתכתית־אורגנית (MOF) המשמש בהיקף נרחב לשינוי תכונותיהן של אלקטרודות.
מלבד יישומים שונים אחרים, כחול פרוסי והאנלוגים שלו, הקסציאנופראט נחושת והקסציאנופראט ניקל, משמשים כדיו בצבעים כחול, אדום וצהוב, בהתאמה.
יתרון עצום של ננו־חלקיקי כחול פרוסי הוא בטיחותם. ננו־חלקיקי כחול פרוסי מתכלים ביולוגית באופן מלא, תואמים ביולוגית ומאושרים על ידי ה־FDA ליישומים רפואיים.

סינתזה סונוכימית של קוביות ננומטריות של כחול פרוסי

הסינתזה של ננו־חלקיקי כחול פרוסי / הקסציאנופריט היא תגובת שיקוע הטרוגנית בכימיה רטובה. כדי לקבל ננו־חלקיקים בעלי התפלגות צרה של גודל החלקיקים ומונודיספרסיות, נדרשת שיטת שיקוע אמינה. שיקוע אולטרסוני מוכר היטב כשיטה אמינה, יעילה ופשוטה לסינתזה של ננו־חלקיקים ופיגמנטים באיכות גבוהה, כגון מגנטיט, מוליבדט אבץ, פוספומוליבדט אבץ, ננו־חלקיקים שונים בעלי מבנה ליבה־מעטפת ועוד.

מסלולי סינתזה בכימיה רטובה של ננו־חלקיקי כחול פרוסי

המסלול הסונוכימי לסינתזה של ננו־חלקיקי כחול פרוסי הוא יעיל, פשוט, מהיר וידידותי לסביבה. שיקוע אולטרסוני מניב קוביות ננומטריות של כחול פרוסי באיכות גבוהה, המתאפיינות בגודל קטן ואחיד (כ־5nm), בהתפלגות גדלים צרה ובמונודיספרסיות.
ניתן לסנתז ננו־חלקיקי כחול פרוסי במסלולי שיקוע שונים, עם מייצבים פולימריים או בלעדיהם.
ללא שימוש בפולימר מייצב, ניתן לשקע קוביות ננומטריות של כחול פרוסי בפשטות באמצעות ערבוב אולטרסוני של FeCl₃ ו־K₃[Fe(CN)₆] בנוכחות H₂O₂.
השימוש בסונוכימיה בסינתזה מסוג זה סייע בקבלת ננו־חלקיקים קטנים יותר (כלומר, בגודל 5 nm במקום גודל של ≈50 nm המתקבל ללא סוניקציה). (Dacarro et al. 2018)

חקרי מקרה של סינתזה אולטרסונית של כחול פרוסי

בדרך כלל, ננו־חלקיקי כחול פרוסי מסונתזים באמצעות סוניקציה.
בשיטה זו, תמיסה בריכוז 0.05 M של K₄[Fe(CN)₆] מתווספת ל־100 ml של תמיסת חומצה הידרוכלורית בריכוז (0.1 mol/L). תמיסת ה־K₄[Fe(CN)₆] המימית המתקבלת מוחזקת בטמפרטורה של 40ºC למשך 5 h תוך כדי סוניקציה של התמיסה, ולאחר מכן מניחים לה להתקרר בטמפרטורת החדר. התוצר הכחול המתקבל מסונן ונשטף שוב ושוב במים מזוקקים ובאתנול מוחלט, ולבסוף מיובש בתנור ואקום בטמפרטורה של 25ºC למשך 12 h.

אנלוג ההקסציאנופריט, הקסציאנופריט נחושת (CuHCF), סונתז במסלול הבא:
ננו־חלקיקי CuHCF סונתזו לפי המשוואה הבאה:
Cu(NO₃)₃ + K₄[Fe(CN)₆] –> Cu₄[Fe(CN)₆] + KN0₃

ננו־חלקיקי CuHCF מסונתזים בשיטה שפותחה על ידי Bioni et al., 2007. תערובת של 10 mL של תמיסת 20 mmol L^-1 K₃[Fe(CN)₆] + 0.1 mol L^-1 KCl עם 10 mL של תמיסת 20 mmol L^-1 CuCl₂ + 0.1 mol L^-1 KCl, בבקבוק סוניקציה. לאחר מכן התערובת מוקרנת באולטרסאונד בעוצמה גבוהה במשך 60 min, באמצעות קרן טיטניום לטבילה ישירה (20 kHz, 10Wcm^-1) שנטבלה בתמיסה עד לעומק של 1 cm. במהלך הערבוב נצפית הופעת משקע חום בהיר. פיזור זה עובר דיאליזה במשך 3 ימים כדי לקבל פיזור יציב מאוד בצבע חום בהיר.
(ראו Jassal et al. 2015)

Wu et al. (2006) סינתזו ננו־חלקיקי כחול פרוסי במסלול סונוכימי מ־K₄[Fe(CN)₆], שבו Fe2+ נוצר מפירוק של [FeII(CN)6]4− באמצעות הקרנה אולטרסונית בחומצה הידרוכלורית; ה־Fe²⁺ חומצן ל־Fe³⁺ כדי להגיב עם יוני [FeII(CN)₆]4− שנותרו. קבוצת המחקר הסיקה שהתפלגות הגודל האחידה של ננו־קוביות הכחול הפרוסי שסונתזו נובעת מהשפעות הסוניקציה. תמונת ה־FE-SEM משמאל מציגה ננו־קוביות של הקסאציאנופראט של ברזל שסונתזו בשיטה סונוכימית בידי קבוצת המחקר של Wu.

סינתזה בקנה מידה גדול: כדי להכין ננו־חלקיקי PB בקנה מידה גדול, נוספו PVP (250 g) ו־K₃[Fe(CN)₆] (19.8 g) ל־2,000 mL של תמיסת HCl (1 M). התמיסה עברה סוניקציה עד שהפכה לצלולה, ולאחר מכן הוכנסה לתנור ב־80°C לצורך תגובת יישון במשך 20–24 שעות. לאחר מכן התערובת עברה צנטריפוגה ב־20,000 rpm במשך 2 שעות לאיסוף ננו־חלקיקי PB. (הערת בטיחות: כדי לסלק כל HCN שנוצר, יש לבצע את התגובה במנדף כימי).

סינתזה סונו־אלקטרוכימית של כחול פרוסי

טכניקת סינתזה יעילה ביותר נוספת לכחול פרוסי היא המסלול הסונו־אלקטרוכימי, המשלב באופן סינרגטי שיקוע אלקטרוכימי עם אולטרסאונד בעוצמה גבוהה. שיטה זו משפרת מעבר מסה, מאיצה את קינטיקת ההתגרענות ומקדמת יצירה אחידה של ננו־חלקיקים באמצעות מיקרו־ערבוב המושרה על ידי קוויטציה ושפעול פני השטח. כך הופכת הסינתזה הסונו־אלקטרוכימית של כחול פרוסי למסלול אמין לייצור תעשייתי של כחול פרוסי בקנה מידה ננומטרי.
קראו עוד על המערך הסונו־אלקטרוכימי לסינתזה של כחול פרוסי!

גשושיות אולטרסוניות וכורים סונוכימיים לסינתזה של כחול פרוסי

Hielscher Ultrasonics היא יצרנית בעלת ניסיון רב שנים של מכשירי סוניקציה בעלי ביצועים גבוהים, המשמשים ברחבי העולם במעבדות מחקר ובייצור תעשייתי. הסינתזה והשיקוע הסונוכימיים של ננו־חלקיקים ופיגמנטים הם יישום תובעני הדורש גשושיות אולטרסוניות בהספק גבוה המייצרות אמפליטודות קבועות. כל מכשירי הסוניקציה של Hielscher מתוכננים ומיוצרים להפעלה 24/7 בעומס מלא. מעבדים אולטרסוניים זמינים החל מגשושיות אולטרסוניות קומפקטיות בהספק של 50 watts ועד לכורים אולטרסוניים רבי־עוצמה בהספק של 16,000 watts לעיבוד בקו. מגוון רחב של קרני הגברה, סונוטרודות ותאי זרימה מאפשר התאמה פרטנית של מערכת סונוכימית לחומרי המוצא, למסלול התהליך ולתוצר הסופי.

סינתזה סונוכימית – באצווה או בקו, בהתאמה לצרכים שלכם

ניתן להשתמש בגשושיות האולטרסוניות של Hielscher לסוניקציה באצווה ולסוניקציה רציפה בקו. בהתאם לנפח התגובה ולקצב התגובה, נמליץ לכם על המערך האולטרסוני המתאים ביותר. מכשירי סוניקציה למעבדה, לשולחן העבודה, למתקני פיילוט ולשימוש תעשייתי מלא מאפשרים עיבוד של כל נפח.

תקני האיכות הגבוהים ביותר – מתוכננים ומיוצרים בגרמניה

כעסק בבעלות משפחתית ובניהול משפחתי, Hielscher מעניקה עדיפות לתקני האיכות הגבוהים ביותר עבור המעבדים האולטרסוניים שלה. כל המכשירים האולטרסוניים מתוכננים, מיוצרים ונבדקים ביסודיות במטה שלנו בטלטו שליד ברלין, גרמניה. העמידות והאמינות של הציוד האולטרסוני של Hielscher הופכות אותו לסוס עבודה במערך הייצור שלכם. פעולה 24/7 בעומס מלא ובסביבות תובעניות היא מאפיין טבעי של הגשושיות והכורִים האולטרסוניים עתירי הביצועים של Hielscher.

הטבלה שלהלן מספקת הערכה של כושר העיבוד המשוער של המכשירים האולטרסוניים שלנו: