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.
Ultrasonikator UIP2000hdT je snažan sonokemijski uređaj za sintezu i taloženje nan čestica
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 nan čestice sintetiziraju se metodom koju su razvili Bioni i sur., 2007. Mješavina od 10 mL od 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.
Sinteza u velikom opsegu: za pripremu PB nan čestica u velikom opsegu, PVP (250 g) i 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-elektrokemijska sinteza Prusijanskog plavog
Još jedna visoko učinkovita tehnika sinteze Pruske plave je sono-elektrokemijska metoda, koja sinergijski kombinira elektrokemijsko taloženje s visokointenzivnim ultrazvukom. Ova metoda poboljšava transport mase, ubrzava kinetiku nukleacije i potiče uniformno stvaranje nanočestica kroz mikro-miksanje izazvano kavtacijom i aktivaciju površine. To čini sono-elektrokemijsku sintezu Pruske plave pouzdanim putem za industrijsku proizvodnju Pruske plave u nanoskali.
Saznajte više o sono-elektrokemijskom sustavu za sintezu Pruske plave!
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 ultrazvučne sonde mogu se koristiti za serijsku i kontinuiranu inline sonikaciju. Ovisno o volumenu reakcije i brzini reakcije, preporučit ćemo vam najprikladniju ultrazvučnu konfiguraciju. Laboratorijski, stolni, pilotni i potpuno industrijski sonikatori omogućuju obradu bilo kojeg volumena.
Najviši standardi kvalitete – Dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj
Kao obiteljski vođena i obiteljski upravljana tvrtka, Hielscher daje prioritet najvišim standardima kvalitete za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrazvukovi su dizajnirani, proizvedeni i temeljito testirani u našoj središnjici u Teltowu, u blizini Berlina, Njemačka. Robusnost i pouzdanost Hielscher ultrazvučne opreme čini ga radnim konjem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika Hielscher visokoučinkovitih ultrazvučnih sondi i reaktora.
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.
Što su metalno-organske strukture?
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.
Sonokemijska sinteza pouzdana je i učinkovita tehnika za proizvodnju visokokvalitetnih natrijevih metalnih soli u velikim količinama, koje se mogu koristiti za proizvodnju natrij-ionskih kondenzatora. Sinteza natrijevog praha postiže se ultrazvučnom disperzijom rastaljenog natrijevog metala u mineralnom ulju.
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.