Ultrazvučno mokro taloženje pruskoplavih nanokockica
Prusko plavo ili željezni heksacijanoferat je nanostrukturirani metalni organski okvir (MOF), koji se koristi u proizvodnji natrijevih ionskih baterija, biomedicini, tintama i elektronici. Ultrazvučna mokra kemijska sinteza učinkovit je, pouzdan i brz put za proizvodnju pruskoplavih nanokocki i analoga pruskoplavog kao što su bakrov heksacijanoferat i nikal heksacijanoferat. Ultrazvučno istaložene nanočestice Prussian Blue karakterizira uska distribucija veličine čestica, mono-disperznost i visoka funkcionalnost.
Prusko plavo i analozi heksacijanoferata
Prusko plavo ili željezni heksacijanoferati naširoko se koriste kao funkcionalni materijali za projektiranje elektrokemijskih aplikacija i za proizvodnju kemijskih senzora, elektrokromatskih zaslona, tinti i premaza, baterija (natrijevo-ionske baterije), kondenzatora i superkondenzatora, materijala za pohranu kationa kao što su za H+ ili Cs+, katalizatori, teranostici i drugi. Zbog svoje dobre redoks aktivnosti i visoke elektrokemijske stabilnosti, Prussian Blue je metalno-organska struktura (MOF) koja se široko koristi za modificiranje elektroda.
Osim raznih drugih primjena, Prussian Blue i njegovi analozi bakrov heksacijanoferat i nikal heksacijanoferat koriste se kao tinte u boji plave, crvene i žute boje.
Velika prednost nanočestica Prussian Blue je njihova sigurnost. Nanočestice Prussian Blue potpuno su biorazgradive, biokompatibilne i odobrene od strane FDA za medicinsku primjenu.
The ultrasonicator UIP2000hdT is a powerful sonochemical device for the synthesis and precipitation of nanoparticles
Sonokemijska sinteza pruskoplavih nanokocki
Sinteza nanočestica Prussian Blue / heksacijanoferita reakcija je heterogenog vlažnog kemijskog taloženja. Kako bi se dobile nanočestice s uskom distribucijom veličine čestica i monodisperznošću, potreban je pouzdan put taloženja. Ultrazvučno taloženje dobro je poznato po pouzdanoj, učinkovitoj i jednostavnoj sintezi visokokvalitetnih nanočestica i pigmenata kao što su magnetit, cink molibdat, cink fosfomolibdat, razne nanočestice jezgra-ljuska itd.
Rute vlažne kemijske sinteze za nanočestice pruske plave boje
Sonokemijski put sinteze nanočestica Prussian Blue je učinkovit, lak, brz i ekološki prihvatljiv. Ultrazvučna precipitacija daje visokokvalitetne nanokocke Prussian Blue, koje karakterizira ujednačena mala veličina (približno 5 nm), uska distribucija veličine i monodisperznost.
Nanočestice Prussian Blue mogu se sintetizirati različitim putevima taloženja sa ili bez polimernih stabilizatora.
Izbjegavajući upotrebu stabilizirajućeg polimera, pruskoplave nanokocke mogu se istaložiti jednostavno ultrazvučnim miješanjem FeCl3 i K3[Fe(CN)6] u prisustvu H2O2.
Korištenje sonokemije u ovoj vrsti sinteze pomoglo je u dobivanju manjih nanočestica (tj. veličine 5 nm umjesto veličine od ≈50 nm dobivene bez sonikacije). (Dacarro i dr. 2018.)
Studije slučaja ultrazvučne sinteze Prussian Blue
Općenito, nanočestice pruskog plavog sintetiziraju se metodom ultrazvučne obrade.
U ovoj tehnici, 0,05 M otopina K4[Fe(CN)6] se doda u 100 ml otopine klorovodične kiseline (0,1 mol/L). Dobiveni K4[Fe(CN)6] vodena otopina se drži na 40ºC 5 h dok se otopina sonicira i zatim ostavi da se ohladi na sobnoj temperaturi. Dobiveni plavi produkt se filtrira i više puta ispere destiliranom vodom i apsolutnim etanolom i na kraju se suši u vakuumskoj pećnici na 25ºC 12 h.
Heksacijanoferitni analog bakar heksacijanoferit (CuHCF) sintetiziran je sljedećim putem:
Nanočestice CuHCF sintetizirane su prema sljedećoj jednadžbi:
Cu (NO3)3 + K4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
CuHCF nanoparticles are synthesized by the method developed by Bioni et al., 2007. The mixture of 10 mL of 20 mmol L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 mol L-1 Otopina KCl s 10 mL od 20 mmol L-1 CuCl2 + 0,1 mol L-1 KCl, u tikvici za ultrazvuk. Smjesa se zatim ozračuje ultrazvučnim zračenjem visokog intenziteta tijekom 60 minuta, koristeći titanski rog s izravnim uranjanjem (20 kHz, 10 Wcm-1) koja je umočena do dubine od 1 cm u otopinu. Tijekom miješanja uočava se pojava svijetlosmeđe naslage. Ova se disperzija dijalizira tijekom 3 dana kako bi se dobila vrlo stabilna, svijetlosmeđa disperzija.
(usp. Jassal i dr. 2015.)
TEM mikrograf nanokocki pruskoplave boje stabiliziranih citratom
studija i slika: Dacarro et al. 2018
Wu i sur. (2006.) sintetizirali su nanočestice pruskoplave sonokemijskim putem iz K4[Fe(CN)6], u kojem je Fe2+ proizveden razgradnjom [FeII(CN)6]4− ultrazvučnim zračenjem u klorovodičnoj kiselini; Fe2+ je oksidiran u Fe3+ reagirati s preostalim [FeII(CN)6]4− ioni. Istraživačka skupina zaključila je da je ujednačena raspodjela veličine sintetiziranih pruskoplavih nanokockica uzrokovana učinkom ultrazvučne obrade. FE-SEM slika lijevo prikazuje sonokemijski sintetizirane nanokocke željeznog heksacijanoferata Wuove istraživačke grupe.
Large-scale synthesis: to prepare PB nanoparticles on a large-scale, PVP (250 g) and K3[Fe(CN)6] (19,8 g) doda se u 2000 mL otopine HCl (1 M). Otopina je obrađivana ultrazvukom dok nije bila bistra, a zatim stavljena u pećnicu na 80°C kako bi se postigla reakcija starenja 20-24 sata. Smjesa je zatim centrifugirana na 20 000 okretaja u minuti tijekom 2 sata za prikupljanje PB nanočestica. (Sigurnosna napomena: kako bi se izbacio stvoreni HCN, reakciju treba provesti u napi).
Sono-Electrochemical Synthesis of Prussian Blue
Another highly efficient synthesis technique for Prussian Blue is the sono-electrochemical route, which synergistically combines electrochemical deposition with high-intensity ultrasound. This method enhances mass transport, accelerates nucleation kinetics, and promotes uniform nanoparticle formation through cavitation-induced micro-mixing and surface activation. This makes the sono-electrochemical Prussian Blue synthesis a reliable pathway for the industrial production of nanoscale Prussian Blue.
Read more about the sono-electrochemical setup for Prussian Blue synthesis!
Ultrazvučne sonde i sonokemijski reaktori za Prussian Blue Synthesis
Hielscher Ultrasonics is long-termed experiences manufacturer of high-performance sonicators that are used worldwide in research laboratories and industrial production. The sonochemical synthesis and precipitation of nanoparticles and pigments is a demanding application that requires high-power ultrasonic probes which generate constant amplitudes. All Hielscher sonicators are designed and manufactured to be operated for 24/7 under full load. Ultrasonic processors are available from compact 50 watts ultrasonic probes to 16,000 watts powerful inline ultrasonic reactors. A wide variety of booster horns, sonotrodes and flow cells allow for the individual setup of an sonochemical system in correspondence to the precursors, pathway and final product.
sonokemijska sinteza – Batch or Inline Tailored to Your Needs
Hielscher ultrasonic probes can be used for batch and continuous inline sonication. Depending on reaction volume and reaction speed, we will recommend you the most suitable ultrasonic setup. Lab, bench-top, pilot and fully-industrial sonicators allow the processing of any volume.
Najviši standardi kvalitete – Dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj
As a family-owned and family-run business, Hielscher prioritizes highest quality standards for its ultrasonic processors. All ultrasonicators are designed, manufactured and thoroughly tested in our headquarter in Teltow near Berlin, Germany. Robustness and reliability of Hielscher ultrasonic equipment make it a work horse in your production. 24/7 operation under full load and in demanding environments is a natural characteristic of Hielscher high-performance ultrasonic probes and reactors.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Ultrazvučni homogenizatori velike snage od laboratorija do pilot i industrijski mjerilo.
Činjenice koje vrijedi znati
Što je pruska plava?
Prusko plavo je kemijski ispravno nazvano željezni heksacijanoferat (Željezo(II,III) heksacijanoferat(II,III)), ali kolokvijalno je poznato i kao Berlinsko plavo, željezo ferocijanid, željezo heksacijanoferat, željezo(III) ferocijanid, željezo(III) heksacijanoferat(II), te pariško plavo.
Prusko plavo je opisano kao tamnoplavi pigment koji nastaje oksidacijom željeznih ferocijanidnih soli. Sadrži željezni heksacijanoferat(II) u kubičnoj kristalnoj strukturi rešetke. Netopljiv je u vodi, ali također ima tendenciju stvaranja koloida pa može postojati u koloidnom ili u vodi topljivom obliku, te u netopljivom obliku. Primjenjuje se oralno u kliničke svrhe i koristi se kao protuotrov za određene vrste trovanja teškim metalima, kao što su talij i radioaktivni izotopi cezija.
Analozi željeznog heksacijanoferata (Prussian Blue) su bakar heksacijanoferat, kobalt heksacijanoferat, cink heksacijanoferat i nikal heksacijanoferat.
What are Metal-Organic Framework Structures?
Metalno-organski okviri (MOF) su klasa spojeva koji se sastoje od metalnih iona ili klastera koordiniranih s organskim ligandima, koji mogu tvoriti jedno-, dvo- ili trodimenzionalne strukture. Oni su podrazred koordinacijskih polimera. Koordinacijske polimere tvore metali, koji su povezani ligandima (tzv. veznim molekulama) tako da nastaju ponavljajući koordinacijski motivi. Njihove glavne karakteristike uključuju kristalnost i često su porozni.
Pročitajte više o ultrazvučnoj sintezi metalno-organskih struktura (MOF)!
natrij-ionske baterije
Natrij-ionska baterija (NIB) vrsta je punjive baterije. Za razliku od litij-ionske baterije, natrijeva ionska baterija koristi natrijeve ione (Na+) umjesto litija kao nositelje naboja. U suprotnom, sastav, princip rada i konstrukcija ćelija uvelike su identični onima uobičajenih i naširoko korištenih litij-ionskih baterija. Glavna razlika između ta dva tipa baterija je u tome što se u Li-ion kondenzatorima koriste spojevi litija, dok se u Na-ion baterijama koriste natrijevi metali. To znači da katoda natrijevo-ionske baterije sadrži natrij ili natrijeve kompozite i anodu (ne nužno materijal na bazi natrija) kao i tekući elektrolit koji sadrži disocirane natrijeve soli u polarnim protičnim ili aprotičnim otapalima. Tijekom punjenja, Na+ se izvlači iz katode i ubacuje u anodu dok elektroni putuju kroz vanjski krug; tijekom pražnjenja dolazi do obrnutog procesa gdje se Na+ izdvaja iz anode i ponovno ubacuje u katodu s elektronima koji putuju kroz vanjski krug obavljajući koristan rad. U idealnom slučaju, materijali anode i katode trebali bi moći izdržati ponovljene cikluse skladištenja natrija bez degradacije kako bi se osigurao dug životni ciklus.
Sonochemical synthesis is a reliable and efficient technique to produce high-quality bulk sodium metal salts, which can be used for the manufacturing of sodium-ion capacitors. The synthesis of sodium powder is accomplished via ultrasonic dispersion of molten sodium metal in mineral oil.
Literatura / Reference
- 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.