Ultrazvučno mokro taloženje nanokocki pruskog modrila

Prusko modrilo ili željezov heksacijanoferat nanostrukturirani je metalno-organski okvir (MOF) koji se upotrebljava u proizvodnji natrij-ionskih baterija, biomedicini, tintama i elektronici. Ultrazvučna mokra kemijska sinteza učinkovit je, pouzdan i brz postupak za proizvodnju nanokocki pruskog modrila i analoga pruskog modrila kao što su bakrov heksacijanoferat i niklov heksacijanoferat. Ultrazvučno istaložene nanočestice pruskog modrila odlikuju se uskom raspodjelom veličine čestica, monodisperznošću i visokom funkcionalnošću.

Prusko modrilo i analozi heksacijanoferata

Prusko modrilo ili željezovi heksacijanoferati široko se upotrebljavaju kao funkcionalni materijal za razvoj elektrokemijskih primjena i proizvodnju kemijskih senzora, elektrokromnih zaslona, tinti i premaza, baterija (natrij-ionskih baterija), kondenzatora i superkondenzatora, materijala za pohranu kationa kao što su H+ ili Cs+, katalizatora, teranostičkih sredstava i drugih proizvoda. Zbog svoje dobre redoks-aktivnosti i visoke elektrokemijske stabilnosti, prusko modrilo struktura je metalno-organskog okvira (MOF) koja se široko upotrebljava za modifikaciju elektroda.
Uz razne druge primjene, prusko modrilo i njegovi analozi, bakrov heksacijanoferat i niklov heksacijanoferat, upotrebljavaju se kao tinte plave, crvene odnosno žute boje.
Velika prednost nanočestica pruskog modrila njihova je sigurnost. Nanočestice pruskog modrila potpuno su biorazgradive, biokompatibilne i odobrene od strane FDA-e za medicinske primjene.

Sonokemijska sinteza nanokocki pruskog modrila

Sinteza nanočestica pruskog modrila / heksacijanoferita reakcija je heterogenog mokrog kemijskog taloženja. Za dobivanje nanočestica s uskom raspodjelom veličine čestica i monodisperznošću potreban je pouzdan postupak taloženja. Ultrazvučno taloženje dobro je poznato po pouzdanoj, učinkovitoj i jednostavnoj sintezi visokokvalitetnih nanočestica i pigmenata kao što su magnetit, cinkov molibdat, cinkov fosfomolibdat, razne nanočestice sa strukturom jezgre i ljuske itd.

Postupci mokre kemijske sinteze nanočestica pruskog modrila

Sonokemijski postupak sinteze nanočestica pruskog modrila učinkovit je, jednostavan, brz i prihvatljiv za okoliš. Ultrazvučnim taloženjem dobivaju se visokokvalitetne nanokocke pruskog modrila koje se odlikuju ujednačenom malom veličinom (približno 5nm), uskom raspodjelom veličine i monodisperznošću.
Nanočestice pruskog modrila mogu se sintetizirati različitim postupcima taloženja s polimernim stabilizatorima ili bez njih.
Bez upotrebe stabilizirajućeg polimera, nanokocke pruskog modrila mogu se istaložiti jednostavno ultrazvučnim miješanjem FeCl₃ i K₃[Fe(CN)₆] u prisutnosti H₂O₂.
Primjena sonokemije u ovoj vrsti sinteze pomogla je pri dobivanju manjih nanočestica (tj. veličine 5 nm umjesto veličine ≈50 nm dobivene bez sonikacije). (Dacarro et al. 2018)

Studije slučaja ultrazvučne sinteze pruskog modrila

Općenito se nanočestice pruskog modrila sintetiziraju primjenom metode sonikacije.
U ovoj se tehnici 0,05 M otopina K₄[Fe(CN)₆] dodaje u 100 ml otopine klorovodične kiseline (0,1 mol/L). Dobivena vodena otopina K₄[Fe(CN)₆] održava se na 40ºC tijekom 5 h uz sonikaciju otopine, a zatim se ostavi da se ohladi na sobnoj temperaturi. Dobiveni plavi proizvod filtrira se i više puta ispire destiliranom vodom i apsolutnim etanolom te se naposljetku suši u vakuumskoj sušnici na 25ºC tijekom 12 h.

Analog heksacijanoferita, bakrov heksacijanoferit (CuHCF), sintetiziran je sljedećim postupkom:
Nanočestice CuHCF-a sintetizirane su prema sljedećoj jednadžbi:
Cu(NO₃)₃ + K₄[Fe(CN)₆] –> Cu₄[Fe(CN)₆] + KN0₃

Nanočestice CuHCF-a sintetiziraju se metodom koju su razvili Bioni et al., 2007. Smjesa 10 mL otopine 20 mmol L^-1 K₃[Fe(CN)₆] + 0,1 mol L^-1 KCl s 10 mL otopine 20 mmol L^-1 CuCl₂ + 0,1 mol L^-1 KCl u tikvici za sonikaciju. Smjesa se zatim izlaže ultrazvuku visokog intenziteta tijekom 60 min, uz uporabu izravno uronjene titanijeve sonotrode (20 kHz, 10Wcm^-1) uronjene u otopinu do dubine od 1 cm. Tijekom miješanja opaža se pojava svjetlosmeđeg taloga. Ta se disperzija dijalizira tijekom 3 dana kako bi se dobila vrlo stabilna disperzija svjetlosmeđe boje.
(usp. Jassal et al. 2015)

Wu et al. (2006) sintetizirali su nanočestice pruskog modrila sonokemijskim postupkom iz K₄[Fe(CN)₆], pri čemu je Fe2+ nastao razgradnjom [FeII(CN)6]4− pod djelovanjem ultrazvuka u klorovodičnoj kiselini; Fe²⁺ oksidiran je u Fe³⁺ kako bi reagirao s preostalim ionima [FeII(CN)₆]4−. Istraživačka skupina zaključila je da je ujednačena raspodjela veličina sintetiziranih nanokocki pruskog modrila posljedica djelovanja ultrazvuka. FE-SEM slika s lijeve strane prikazuje nanokocke željezova heksacijanoferata koje je Wuova istraživačka skupina sintetizirala sonokemijskim postupkom.

Sinteza u velikom mjerilu: za pripremu nanočestica PB-a u velikom mjerilu, PVP (250 g) i K₃[Fe(CN)₆] (19,8 g) dodani su u 2.000 mL otopine HCl (1 M). Otopina je sonikirana dok nije postala bistra, a zatim je stavljena u peć na 80°C radi provedbe reakcije starenja tijekom 20–24 sata. Smjesa je zatim centrifugirana pri 20.000 rpm tijekom 2 sata radi prikupljanja nanočestica PB-a. (Sigurnosna napomena: radi odvođenja eventualno nastalog HCN-a, reakciju treba provoditi u digestoru).

Sonoelektrokemijska sinteza pruskog modrila

Još jedna vrlo učinkovita tehnika sinteze pruskog modrila jest sonoelektrokemijski postupak, koji sinergijski kombinira elektrokemijsko taloženje s ultrazvukom visokog intenziteta. Ova metoda poboljšava prijenos mase, ubrzava kinetiku nukleacije i potiče ujednačeno stvaranje nanočestica mikromiješanjem izazvanim kavitacijom i aktivacijom površine. Time sonoelektrokemijska sinteza pruskog modrila postaje pouzdan postupak za industrijsku proizvodnju pruskog modrila nanometarskih dimenzija.
Pročitajte više o sonoelektrokemijskom postavu za sintezu pruskog modrila!

Ultrazvučne sonde i sonokemijski reaktori za sintezu pruskog modrila

Hielscher Ultrasonics proizvođač je ultrazvučnih uređaja visokih performansi s dugogodišnjim iskustvom, čiji se uređaji upotrebljavaju diljem svijeta u istraživačkim laboratorijima i industrijskoj proizvodnji. Sonokemijska sinteza i taloženje nanočestica i pigmenata zahtjevna je primjena za koju su potrebne ultrazvučne sonde velike snage koje stvaraju konstantne amplitude. Svi Hielscher ultrazvučni uređaji projektirani su i proizvedeni za rad 24/7 pod punim opterećenjem. Ultrazvučni procesori dostupni su u rasponu od kompaktnih ultrazvučnih sondi snage 50 vata do snažnih ultrazvučnih reaktora za linijsku obradu snage 16.000 vata. Širok izbor pojačivača amplitude, sonotroda i protočnih ćelija omogućuje individualno konfiguriranje sonokemijskog sustava u skladu s prekursorima, postupkom i konačnim proizvodom.

Sonokemijska sinteza – šaržna ili linijska obrada prilagođena vašim potrebama

Hielscher ultrazvučne sonde mogu se upotrebljavati za šaržnu i kontinuiranu linijsku sonikaciju. Ovisno o volumenu reakcijske smjese i brzini reakcije, preporučit ćemo vam najprikladniji ultrazvučni postav. Laboratorijski, stolni, pilotni i potpuno industrijski ultrazvučni uređaji omogućuju obradu bilo kojeg volumena.

Najviši standardi kvalitete – projektirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao poduzeće u obiteljskom vlasništvu kojim upravlja obitelj, Hielscher daje prednost najvišim standardima kvalitete svojih ultrazvučnih procesora. Svi ultrazvučni uređaji projektiraju se, proizvode i temeljito ispituju u našem sjedištu u Teltowu pokraj Berlina u Njemačkoj. Robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme Hielscher čine je pouzdanim osloncem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodno je svojstvo visokoučinkovitih ultrazvučnih sondi i reaktora Hielscher.

Tablica u nastavku daje pregled približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: