Poroszkék nanokockák ultrahangos nedves kicsapatása
A poroszkék, más néven vas-hexacianoferrát, nanoszerkezetű fém–szerves vázszerkezet (MOF), amelyet nátriumion-akkumulátorok gyártásában, a biomedicinában, tintákban és az elektronikában használnak. Az ultrahangos nedves kémiai szintézis hatékony, megbízható és gyors eljárás poroszkék nanokockák és poroszkékanalógok, például réz-hexacianoferrát és nikkel-hexacianoferrát előállítására. Az ultrahanggal kicsapatott poroszkék nanorészecskéket szűk részecskeméret-eloszlás, monodiszperzitás és magas szintű funkcionalitás jellemzi.
Poroszkék és hexacianoferrát-analógok
A poroszkéket, illetve a vas-hexacianoferrátokat széles körben használják funkcionális anyagként elektrokémiai alkalmazások tervezéséhez, valamint kémiai érzékelők, elektrokróm kijelzők, tinták és bevonatok, akkumulátorok (nátriumion-akkumulátorok), kondenzátorok és szuperkondenzátorok, például H+ vagy Cs+ tárolására szolgáló kationtároló anyagok, katalizátorok, teranosztikai eszközök és más termékek előállításához. Jó redoxaktivitásának és magas elektrokémiai stabilitásának köszönhetően a poroszkék olyan fém–szerves vázszerkezet (MOF), amelyet széles körben alkalmaznak elektródák módosítására.
Számos egyéb alkalmazásuk mellett a poroszkéket, valamint analógjait, a réz-hexacianoferrátot és a nikkel-hexacianoferrátot rendre kék, vörös és sárga színű tintaként használják.
A poroszkék nanorészecskék egyik óriási előnye a biztonságosságuk. A poroszkék nanorészecskék biológiailag teljes mértékben lebonthatók, biokompatibilisek, és az FDA jóváhagyta őket orvosi alkalmazásokra.
Az UIP2000hdT ultrahangos kezelőberendezés nagy teljesítményű szonokémiai készülék nanorészecskék szintéziséhez és kicsapatásához
Poroszkék nanokockák szonokémiai szintézise
A poroszkék / hexacianoferrit nanorészecskék szintézise heterogén nedves kémiai kicsapatási reakció. Szűk részecskeméret-eloszlású és monodiszperz nanorészecskék előállításához megbízható kicsapatási eljárás szükséges. Az ultrahangos kicsapatás jól ismert a kiváló minőségű nanorészecskék és pigmentek, például magnetit, cink-molibdát, cink-foszfomolibdát, különféle mag–héj nanorészecskék stb. megbízható, hatékony és egyszerű szintéziséről.
Nedves kémiai szintézisútvonalak poroszkék nanorészecskék előállításához
A poroszkék nanorészecskék szonokémiai szintézisútvonala hatékony, egyszerű, gyors és környezetbarát. Az ultrahangos kicsapatás kiváló minőségű poroszkék nanokockákat eredményez, amelyeket egyenletes, kis méret (kb. 5nm), szűk méreteloszlás és monodiszperzitás jellemez.
A poroszkék nanorészecskék különféle kicsapatási eljárásokkal szintetizálhatók, polimer stabilizátorokkal vagy azok nélkül.
Stabilizáló polimer alkalmazása nélkül a poroszkék nanokockák egyszerűen kicsapathatók FeCl3 és K3[Fe(CN)6] ultrahangos keverésével, H2O2 jelenlétében.
A szonokémia alkalmazása ebben a szintézisben kisebb nanorészecskék előállítását segítette elő (azaz 5 nm méretűeket az ultrahangos kezelés nélkül kapott ≈50 nm méretűek helyett). (Dacarro et al. 2018)
Esettanulmányok a poroszkék ultrahangos szintéziséről
A poroszkék nanorészecskéket általában ultrahangos kezeléssel szintetizálják.
Ennél az eljárásnál 0,05 M koncentrációjú K4[Fe(CN)6]-oldatot adnak 100 ml (0,1 mol/L) koncentrációjú sósavoldathoz. A kapott K4[Fe(CN)6] vizes oldatát 5 h időtartamig 40ºC-on tartják, miközben ultrahangos kezelésnek vetik alá, majd hagyják szobahőmérsékleten lehűlni. A kapott kék terméket leszűrik, desztillált vízzel és abszolút etanollal többször átmossák, végül vákuumszárító szekrényben 25ºC-on 12 h időtartamig szárítják.
A hexacianoferrit-analóg réz-hexacianoferritet (CuHCF) a következő eljárással szintetizálták:
A CuHCF nanorészecskéket a következő egyenlet szerint szintetizálták:
Cu(NO3)3 + K4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
A CuHCF nanorészecskéket a Bioni et al., 2007 által kidolgozott módszerrel szintetizálják. Egy ultrahangos kezelésre szolgáló lombikban 10 mL, 20 mmol L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 mol L-1 KCl összetételű oldat elegye 10 mL, 20 mmol L-1 CuCl2 + 0,1 mol L-1 KCl összetételű oldattal. Az elegyet ezután 60 min időtartamig nagy intenzitású ultrahangos besugárzásnak vetik alá, közvetlenül bemerített titán ultrahangos kürttel (20 kHz, 10Wcm-1), amelyet 1 cm mélységig merítenek az oldatba. A keverés során világosbarna csapadék megjelenése figyelhető meg. Ezt a diszperziót 3 napon át dializálják, hogy nagyon stabil, világosbarna színű diszperziót kapjanak.
(vö. Jassal et al. 2015)
Citráttal stabilizált poroszkék nanokockák TEM-mikrofelvétele
tanulmány és kép: Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006) poroszkék nanorészecskéket szintetizáltak szonokémiai úton K4[Fe(CN)6] felhasználásával; ennek során Fe2+ keletkezett a [FeII(CN)6]4− sósavban, ultrahangos besugárzás hatására bekövetkező bomlásából; a Fe2+ oxidációjával Fe3+ keletkezett, hogy reagáljon a megmaradt [FeII(CN)6]4− ionokkal. A kutatócsoport arra a következtetésre jutott, hogy a szintetizált poroszkék nanokockák egyenletes méreteloszlását az ultrahangos kezelés hatásai okozzák. A bal oldali FE-SEM-kép a Wu kutatócsoportja által szonokémiai úton szintetizált vas-hexacianoferrát nanokockákat mutatja.
Nagy léptékű szintézis: a PB nanorészecskék nagy léptékű előállításához PVP-t (250 g) és K3[Fe(CN)6]-t (19,8 g) adtak 2 000 mL HCl-oldathoz (1 M). Az oldatot addig kezelték ultrahanggal, amíg tisztává nem vált, majd 80°C-os szárítószekrénybe helyezték, hogy 20–24 órán át végbemenjen az érlelési reakció. Az elegyet ezután 20 000 rpm fordulatszámon 2 órán át centrifugálták a PB nanorészecskék összegyűjtéséhez. (Biztonsági megjegyzés: Az esetlegesen keletkező HCN eltávolítása érdekében a reakciót vegyifülkében kell végezni).
A poroszkék szonoelektrokémiai szintézise
A poroszkék előállításának egy másik rendkívül hatékony szintézismódszere a szonoelektrokémiai eljárás, amely szinergikusan ötvözi az elektrokémiai leválasztást a nagy intenzitású ultrahanggal. Ez a módszer fokozza az anyagtranszportot, felgyorsítja a gócképződés kinetikáját, és a kavitáció által előidézett mikrokeveredés és felületaktiválás révén elősegíti az egyenletes nanorészecske-képződést. Ez a poroszkék szonoelektrokémiai szintézisét a nanoméretű poroszkék ipari előállításának megbízható eljárásává teszi.
Tudjon meg többet a poroszkék szintéziséhez alkalmazott szonoelektrokémiai elrendezésről!
Ultrahangos szondák és szonokémiai reaktorok a poroszkék szintéziséhez
A Hielscher Ultrasonics nagy teljesítményű ultrahangos kezelőberendezések gyártásában hosszú távú tapasztalattal rendelkezik; készülékeit világszerte használják kutatólaboratóriumokban és ipari termelésben. A nanorészecskék és pigmentek szonokémiai szintézise és kicsapatása nagy igénybevétellel járó alkalmazás, amely állandó amplitúdót biztosító, nagy teljesítményű ultrahangos szondákat igényel. Valamennyi Hielscher ultrahangos kezelőberendezést teljes terhelés melletti, 24/7 üzemelésre tervezik és gyártják. Az ultrahangos feldolgozóberendezések a kompakt, 50 wattos ultrahangos szondáktól a nagy teljesítményű, 16 000 wattos, folyamatba épített ultrahangos reaktorokig érhetők el. Az amplitúdóerősítő kürtök, szonotródák és átfolyó cellák széles választéka lehetővé teszi a szonokémiai rendszer egyedi kialakítását a prekurzoroknak, a szintézisútvonalnak és a végterméknek megfelelően.
Szonokémiai szintézis – szakaszosan vagy folyamatba építve, az Ön igényeire szabva
A Hielscher ultrahangos szondák szakaszos és folyamatos, folyamatba épített ultrahangos kezelésre egyaránt használhatók. A reakciótérfogattól és a reakciósebességtől függően a legmegfelelőbb ultrahangos elrendezést ajánljuk Önnek. A laboratóriumi, asztali, kísérleti üzemi és teljesen ipari ultrahangos kezelőberendezések bármilyen térfogat feldolgozását lehetővé teszik.
A legmagasabb minőségi követelmények – Németországban tervezve és gyártva
Családi tulajdonban lévő és családi irányítású vállalkozásként a Hielscher a legmagasabb minőségi követelményeket helyezi előtérbe ultrahangos feldolgozóberendezéseinél. Minden ultrahangos kezelőberendezést a németországi, Berlin közelében fekvő Teltowban található központunkban tervezünk, gyártunk és alaposan tesztelünk. A Hielscher ultrahangos berendezések robusztussága és megbízhatósága az Ön termelésének fáradhatatlan eszközévé teszi őket. A teljes terhelés melletti és nagy igénybevételt jelentő környezetben történő 24/7 üzemelés a Hielscher nagy teljesítményű ultrahangos szondáinak és reaktorainak természetes jellemzője.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos kezelőberendezéseink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Adagtérfogat | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | összekapcsolt UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
Nagy teljesítményű ultrahangos homogenizátorok a laboratóriumi léptéktől a kísérleti üzemi és ipari léptékig.
Hasznos tudnivalók
Mi a poroszkék?
A poroszkék kémiailag helyes megnevezése vas-hexacianoferrát (vas(II,III)-hexacianoferrát(II,III)), de a köznyelvben berlini kék, ferri-ferrocianid, ferri-hexacianoferrát, vas(III)-ferrocianid, vas(III)-hexacianoferrát(II) és párizsi kék néven is ismert.
A poroszkéket mélykék pigmentként írják le, amely ferro-ferrocianid-sók oxidációjakor keletkezik. Köbös rácsú kristályszerkezetben ferri-hexacianoferrát(II)-t tartalmaz. Vízben oldhatatlan, de hajlamos kolloidot is képezni, így kolloid vagy vízoldható formában, valamint oldhatatlan formában is létezhet. Klinikai célokra szájon át alkalmazzák bizonyos nehézfémmérgezések, például a tallium és a cézium radioaktív izotópjai által okozott mérgezések ellenszereként.
A vas-hexacianoferrát (poroszkék) analógjai a réz-hexacianoferrát, a kobalt-hexacianoferrát, a cink-hexacianoferrát és a nikkel-hexacianoferrát.
Mik a fém–szerves vázszerkezetek?
A fém–szerves vázszerkezetek (MOF-ok) olyan vegyületosztályt alkotnak, amelynek tagjai szerves ligandumokhoz koordinált fémionokból vagy klaszterekből állnak, és egy-, két- vagy háromdimenziós szerkezeteket képezhetnek. A koordinációs polimerek egyik alosztályát alkotják. A koordinációs polimereket fémek alkotják, amelyeket ligandumok (úgynevezett összekötő molekulák) kapcsolnak össze úgy, hogy ismétlődő koordinációs motívumok alakulnak ki. Fő jellemzőik közé tartozik a kristályosság és a gyakori porozitás.
Tudjon meg többet a fém–szerves vázszerkezetek (MOF-ok) ultrahangos szintéziséről!
Nátriumion-akkumulátorok
A nátriumion-akkumulátor (NIB) az újratölthető akkumulátorok egyik típusa. A lítiumion-akkumulátorral ellentétben a nátriumion-akkumulátor lítium helyett nátriumionokat (Na+) használ töltéshordozóként. Egyébként összetétele, működési elve és cellafelépítése nagyrészt megegyezik a szokásos és széles körben használt lítiumion-akkumulátorokéval. A két akkumulátortípus közötti fő különbség az, hogy a Li-ion-kondenzátorokban lítiumvegyületeket, míg a Na-ion-akkumulátorokban fémnátriumot alkalmaznak. Ez azt jelenti, hogy a nátriumion-akkumulátor katódja nátriumot vagy nátriumkompozitokat és egy anódot (amely nem feltétlenül nátriumalapú anyag), valamint poláris protikus vagy aprotikus oldószerekben disszociált nátriumsókat tartalmazó folyékony elektrolitot tartalmaz. Töltés közben a Na+ ionok kilépnek a katódból és beépülnek az anódba, miközben az elektronok a külső áramkörön haladnak át; kisütés közben a fordított folyamat megy végbe: a Na+ ionok kilépnek az anódból és újra beépülnek a katódba, miközben a külső áramkörön áthaladó elektronok hasznos munkát végeznek. Ideális esetben az anód és a katód anyagainak képesnek kell lenniük arra, hogy károsodás nélkül ellenálljanak a nátriumtárolás ismételt ciklusainak a hosszú élettartam biztosítása érdekében.
A szonokémiai szintézis megbízható és hatékony technika kiváló minőségű nátriumfémsók nagy mennyiségű előállítására, amelyek nátriumion-kondenzátorok gyártásához használhatók. A nátriumpor szintézisét olvadt fémnátrium ásványolajban történő ultrahangos diszpergálásával végzik.
Szakirodalom / Hivatkozások
- 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.