Պրուսական կապույտի նանոխորանարդների ուլտրաձայնային թաց նստեցում
Պրուսական կապույտը կամ երկաթի հեքսացիանոֆերատը նանոկառուցվածքային մետաղօրգանական հիմնակմախք (MOF) է, որն օգտագործվում է նատրիումիոնային մարտկոցների արտադրության, կենսաբժշկության, թանաքների և էլեկտրոնիկայի ոլորտներում։ Ուլտրաձայնային թաց քիմիական սինթեզը պրուսական կապույտի նանոխորանարդների և պրուսական կապույտի այնպիսի նմանակների ստացման արդյունավետ, հուսալի և արագ ուղի է, ինչպիսիք են պղնձի հեքսացիանոֆերատը և նիկելի հեքսացիանոֆերատը։ Ուլտրաձայնային եղանակով նստեցված պրուսական կապույտի նանոմասնիկները բնութագրվում են մասնիկների չափերի նեղ բաշխմամբ, մոնոդիսպերսությամբ և բարձր գործառականությամբ։
Պրուսական կապույտը և հեքսացիանոֆերատային նմանակները
Պրուսական կապույտը կամ երկաթի հեքսացիանոֆերատները լայնորեն օգտագործվում են որպես գործառական նյութ՝ էլեկտրաքիմիական կիրառություններ նախագծելու և քիմիական սենսորներ, էլեկտրաքրոմային ցուցասարքեր, թանաքներ ու ծածկույթներ, մարտկոցներ (նատրիումիոնային մարտկոցներ), կոնդենսատորներ ու գերկոնդենսատորներ, կատիոնների, օրինակ՝ H+ կամ Cs+, կուտակման նյութեր, կատալիզատորներ, թերանոստիկ միջոցներ և այլ միջոցներ արտադրելու համար։ Իր լավ օքսիդավերականգնման ակտիվության և բարձր էլեկտրաքիմիական կայունության շնորհիվ պրուսական կապույտը մետաղօրգանական հիմնակմախքային (MOF) կառուցվածք է, որը լայնորեն օգտագործվում է էլեկտրոդների մոդիֆիկացման համար։
Բացի զանազան այլ կիրառություններից, պրուսական կապույտը և դրա նմանակները՝ պղնձի հեքսացիանոֆերատն ու նիկելի հեքսացիանոֆերատը, օգտագործվում են համապատասխանաբար որպես կապույտ, կարմիր և դեղին գույնի թանաքներ։
Պրուսական կապույտի նանոմասնիկների հսկայական առավելությունը դրանց անվտանգությունն է։ Պրուսական կապույտի նանոմասնիկները լիովին կենսաքայքայվող են, կենսահամատեղելի և բժշկական կիրառությունների համար հաստատված են FDA գործակալության կողմից։
UIP2000hdT ուլտրաձայնային սարքը հզոր սոնոքիմիական սարք է նանոմասնիկների սինթեզի և նստեցման համար
Պրուսական կապույտի նանոխորանարդների սոնոքիմիական սինթեզ
Պրուսական կապույտի / հեքսացիանոֆերիտի նանոմասնիկների սինթեզը հետերոգեն թաց քիմիական նստեցման ռեակցիա է։ Մասնիկների չափերի նեղ բաշխմամբ և մոնոդիսպերսությամբ նանոմասնիկներ ստանալու համար անհրաժեշտ է նստեցման հուսալի ուղի։ Ուլտրաձայնային նստեցումը լավ հայտնի է բարձրորակ նանոմասնիկների և գունանյութերի հուսալի, արդյունավետ ու պարզ սինթեզով, օրինակ՝ մագնետիտի, ցինկի մոլիբդատի, ցինկի ֆոսֆոմոլիբդատի, միջուկ–թաղանթ կառուցվածքով տարբեր նանոմասնիկների և այլնի։
Պրուսական կապույտի նանոմասնիկների թաց քիմիական սինթեզի ուղիները
Պրուսական կապույտի նանոմասնիկների սինթեզի սոնոքիմիական ուղին արդյունավետ է, պարզ, արագ և շրջակա միջավայրի համար բարենպաստ։ Ուլտրաձայնային նստեցմամբ ստացվում են պրուսական կապույտի բարձրորակ նանոխորանարդներ, որոնք բնութագրվում են միատեսակ փոքր չափերով (մոտ 5nm), չափերի նեղ բաշխմամբ և մոնոդիսպերսությամբ։
Պրուսական կապույտի նանոմասնիկները կարող են սինթեզվել նստեցման տարբեր ուղիներով՝ պոլիմերային կայունացուցիչներով կամ առանց դրանց։
Առանց կայունացնող պոլիմերի օգտագործման՝ պրուսական կապույտի նանոխորանարդները կարելի է նստեցնել՝ պարզապես ուլտրաձայնային եղանակով խառնելով FeCl3 և K3[Fe(CN)6] միացությունները՝ հետևյալ նյութի առկայությամբ՝ H2O2։
Այս տեսակի սինթեզում սոնոքիմիայի կիրառումն օգնեց ստանալ ավելի փոքր նանոմասնիկներ (այսինքն՝ 5 nm չափով՝ առանց ուլտրաձայնային մշակման ստացվող ≈50 nm չափի փոխարեն)։ (Dacarro et al. 2018)
Պրուսական կապույտի ուլտրաձայնային սինթեզի կոնկրետ ուսումնասիրություններ
Ընդհանուր առմամբ, պրուսական կապույտի նանոմասնիկները սինթեզվում են ուլտրաձայնային մշակման մեթոդով։
Այս մեթոդում 0,05 M կոնցենտրացիայով K4[Fe(CN)6] միացության լուծույթն ավելացվում է 100 ml ծավալով աղաթթվի (0,1 mol/L) լուծույթին։ Ստացված K4[Fe(CN)6] ջրային լուծույթը պահվում է 40ºC ջերմաստիճանում 5 h՝ միաժամանակ ենթարկվելով ուլտրաձայնային մշակման, այնուհետև թողնվում է սառչելու սենյակային ջերմաստիճանում։ Ստացված կապույտ արգասիքը ֆիլտրվում և բազմիցս լվացվում է թորած ջրով ու բացարձակ էթանոլով, իսկ վերջում չորացվում է վակուումային չորացման պահարանում՝ 25ºC ջերմաստիճանում 12 h։
Հեքսացիանոֆերիտային նմանակը՝ պղնձի հեքսացիանոֆերիտը (CuHCF), սինթեզվել է հետևյալ ուղիով։
CuHCF նանոմասնիկները սինթեզվել են հետևյալ հավասարման համաձայն՝
Cu(NO3)3 + K4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
CuHCF նանոմասնիկները սինթեզվում են Bioni et al., 2007 աշխատության մեջ մշակված մեթոդով։ Խառնուրդը՝ 10 mL ծավալով 20 mmol L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 mol L-1 KCl լուծույթի և 10 mL ծավալով 20 mmol L-1 CuCl2 + 0,1 mol L-1 KCl՝ ուլտրաձայնային մշակման կոլբայում։ Այնուհետև խառնուրդը 60 min ենթարկվում է բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ճառագայթման՝ անմիջական ընկղմման տիտանե եղջյուրի միջոցով (20 kHz, 10Wcm-1), որը լուծույթի մեջ ընկղմվել էր 1 cm խորությամբ։ Խառնման ընթացքում դիտվում է բաց շագանակագույն նստվածքի առաջացում։ Այս դիսպերսիան 3 օր շարունակ ենթարկվում է դիալիզի՝ շատ կայուն, բաց շագանակագույն դիսպերսիա ստանալու համար։
(տե՛ս Jassal et al. 2015)
Ցիտրատով կայունացված պրուսական կապույտի նանոխորանարդների տրանսմիսիոն էլեկտրոնային մանրադիտակային (TEM) պատկերը
հետազոտությունը և պատկերը՝ Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006) սոնոքիմիական եղանակով սինթեզել են պրուսական կապույտի նանոմասնիկներ՝ որպես ելանյութ օգտագործելով K4[Fe(CN)6], ընդ որում՝ Fe2+ առաջացել է աղաթթվում ուլտրաձայնային ճառագայթման ազդեցությամբ [FeII(CN)6]4− միացության քայքայման արդյունքում, իսկ Fe2+ օքսիդացվել է՝ առաջացնելով Fe3+ ՝ մնացած [FeII(CN)6]4− իոնների հետ փոխազդելու համար։ Հետազոտական խումբը եզրակացրել է, որ սինթեզված պրուսական կապույտի նանոխորանարդների չափերի համաչափ բաշխումը պայմանավորված է ուլտրաձայնային մշակման ազդեցությամբ։ Ձախ կողմի դաշտային էմիսիոն սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակային (FE-SEM) պատկերը ցույց է տալիս երկաթի հեքսացիանոֆերատի նանոխորանարդները, որոնք սոնոքիմիական եղանակով սինթեզվել են Wu-ի հետազոտական խմբի կողմից։
Լայնածավալ սինթեզ. PB նանոմասնիկների լայնածավալ ստացման համար օգտագործվել են PVP (250 g) և K3[Fe(CN)6] (19,8 g), որոնք ավելացվել են 2 000 mL HCl լուծույթին (1 M)։ Լուծույթը մշակվել է ուլտրաձայնով մինչև պարզ դառնալը, այնուհետև տեղադրվել է ջեռոցում՝ 80°C ջերմաստիճանում, 20–24 ժամ տևողությամբ հասունացման ռեակցիան իրականացնելու համար։ Այնուհետև խառնուրդը ցենտրիֆուգվել է 20 000 rpm արագությամբ 2 ժամ՝ PB նանոմասնիկները հավաքելու համար։ (Անվտանգության նշում. առաջացած ցանկացած HCN հեռացնելու համար ռեակցիան պետք է իրականացվի քարշիչ պահարանում)։
Պրուսական կապույտի սոնոէլեկտրաքիմիական սինթեզ
Պրուսական կապույտի սինթեզի մեկ այլ բարձր արդյունավետությամբ տեխնիկա է սոնոէլեկտրաքիմիական եղանակը, որը սիներգիկ կերպով համատեղում է էլեկտրաքիմիական նստեցումը բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնի հետ։ Այս մեթոդը ուժեղացնում է զանգվածափոխանակությունը, արագացնում է բյուրեղացման սաղմերի առաջացման կինետիկան և նպաստում համաչափ նանոմասնիկների ձևավորմանը՝ կավիտացիայով պայմանավորված միկրոխառնման և մակերևույթի ակտիվացման միջոցով։ Դրա շնորհիվ պրուսական կապույտի սոնոէլեկտրաքիմիական սինթեզը հուսալի ուղի է նանոչափային պրուսական կապույտի արդյունաբերական արտադրության համար։
Կարդացե՛ք ավելին պրուսական կապույտի սինթեզի սոնոէլեկտրաքիմիական կայանքի մասին։
Ուլտրաձայնային զոնդեր և սոնոքիմիական ռեակտորներ՝ պրուսական կապույտի սինթեզի համար
Hielscher Ultrasonics ընկերությունը բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքերի արտադրության երկարամյա փորձ ունի։ Այդ սարքերն ամբողջ աշխարհում օգտագործվում են հետազոտական լաբորատորիաներում և արդյունաբերական արտադրությունում։ Նանոմասնիկների և գունանյութերի սոնոքիմիական սինթեզն ու նստեցումը բարձր պահանջներ ներկայացնող կիրառություն է, որը պահանջում է բարձր հզորության ուլտրաձայնային զոնդեր՝ հաստատուն ամպլիտուդներ առաջացնելու համար։ Hielscher ընկերության բոլոր ուլտրաձայնային սարքերը նախագծված և արտադրված են լրիվ բեռնվածությամբ 24/7 աշխատանքի համար։ Ուլտրաձայնային մշակման սարքերը հասանելի են՝ սկսած կոմպակտ, 50 վատտ հզորությամբ ուլտրաձայնային զոնդերից մինչև հոսքագծային, 16 000 վատտ հզորությամբ ուլտրաձայնային ռեակտորներ։ Ամպլիտուդն ուժեղացնող եղջյուրների, սոնոտրոդների և հոսքային բջիջների լայն ընտրանին թույլ է տալիս անհատապես կազմավորել սոնոքիմիական համակարգը՝ ելանյութերին, սինթեզի եղանակին և վերջնական արտադրանքին համապատասխան։
Սոնոքիմիական սինթեզ – պարբերական կամ հոսքագծային՝ հարմարեցված ձեր կարիքներին
Hielscher ընկերության ուլտրաձայնային զոնդերը կարող են օգտագործվել պարբերական և շարունակական հոսքագծային ուլտրաձայնային մշակման համար։ Կախված ռեակցիայի ծավալից և արագությունից՝ մենք ձեզ կառաջարկենք ամենահարմար ուլտրաձայնային կայանքը։ Լաբորատոր, սեղանադիր, փորձնական և լիովին արդյունաբերական ուլտրաձայնային սարքերը թույլ են տալիս մշակել ցանկացած ծավալ։
Որակի ամենաբարձր չափանիշները – նախագծված և արտադրված Գերմանիայում
Որպես ընտանեկան սեփականություն հանդիսացող և ընտանիքի կողմից կառավարվող ընկերություն՝ Hielscher ընկերությունն իր ուլտրաձայնային պրոցեսորների համար առաջնահերթություն է տալիս որակի ամենաբարձր չափանիշներին։ Բոլոր ուլտրաձայնային սարքերը նախագծվում, արտադրվում և մանրակրկիտ փորձարկվում են Գերմանիայում՝ Բեռլինի մերձակայքում գտնվող Տելտով քաղաքի մեր գլխավոր գրասենյակում։ Hielscher ուլտրաձայնային սարքավորումների ամրությունն ու հուսալիությունը դրանք դարձնում են ձեր արտադրության անխոնջ աշխատուժը։ Լրիվ բեռնվածությամբ և պահանջկոտ պայմաններում 24/7 աշխատանքը Hielscher բարձր արդյունավետության ուլտրաձայնային զոնդերի և ռեակտորների բնական բնութագիրն է։
Ստորև բերված աղյուսակը պատկերացում է տալիս մեր ուլտրաձայնային սարքերի մշակման մոտավոր արտադրողականության մասին.
| Խմբաքանակի ծավալը | Հոսքի ծավալային արագությունը | Առաջարկվող սարքերը |
|---|---|---|
| 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. | ավելի մեծ | սարքերի խումբ՝ UIP16000 |
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Բարձր հզորության ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր մասշտաբից մինչև փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբներ։
Փաստեր, որոնք արժե իմանալ
Ի՞նչ է պրուսական կապույտը։
Պրուսական կապույտի քիմիապես ճիշտ անվանումն է երկաթի հեքսացիանոֆեռատ (երկաթ(II,III) հեքսացիանոֆեռատ(II,III)), սակայն առօրյա գործածության մեջ այն հայտնի է նաև որպես բեռլինյան կապույտ, երկաթ(III) ֆեռոցիանիդ, երկաթ(III) հեքսացիանոֆեռատ, երկաթ(III) ֆեռոցիանիդ, երկաթ(III) հեքսացիանոֆեռատ(II) և փարիզյան կապույտ։
Պրուսական կապույտը նկարագրվում է որպես մուգ կապույտ գունանյութ, որն առաջանում է երկաթ(II) ֆեռոցիանիդի աղերի օքսիդացման ժամանակ։ Այն պարունակում է երկաթ(III) հեքսացիանոֆեռատ(II)՝ խորանարդային բյուրեղային ցանցի կառուցվածքով։ Այն ջրում անլուծելի է, սակայն նաև հակված է կոլոիդ առաջացնելու, ուստի կարող է գոյություն ունենալ թե՛ կոլոիդային կամ ջրալույծ ձևով, թե՛ անլուծելի ձևով։ Կլինիկական նպատակներով այն ընդունվում է բերանով՝ որպես հակաթույն ծանր մետաղներով թունավորման որոշ տեսակների դեպքում, օրինակ՝ թալիումով և ցեզիումի ռադիոակտիվ իզոտոպներով թունավորման ժամանակ։
Երկաթի հեքսացիանոֆեռատի (պրուսական կապույտի) նմանակներն են պղնձի հեքսացիանոֆեռատը, կոբալտի հեքսացիանոֆեռատը, ցինկի հեքսացիանոֆեռատը և նիկելի հեքսացիանոֆեռատը։
Ի՞նչ են մետաղ–օրգանական կարկասային կառուցվածքները։
Մետաղ–օրգանական կարկասները (MOFs) միացությունների դաս են, որոնք բաղկացած են օրգանական լիգանդների հետ կոորդինացված մետաղի իոններից կամ կլաստերներից և կարող են ձևավորել միաչափ, երկչափ կամ եռաչափ կառուցվածքներ։ Դրանք կոորդինացիոն պոլիմերների ենթադաս են։ Կոորդինացիոն պոլիմերները ձևավորվում են մետաղներից, որոնք միմյանց միացված են լիգանդներով (այսպես կոչված՝ կապող մոլեկուլներով), այնպես որ առաջանում են կրկնվող կոորդինացիոն մոտիվներ։ Դրանց հիմնական հատկանիշներն են բյուրեղայնությունը և հաճախ ծակոտկեն լինելը։
Ավելին իմացե՛ք մետաղ–օրգանական կարկասային (MOF) կառուցվածքների ուլտրաձայնային սինթեզի մասին։
Նատրիումի իոնային մարտկոցներ
Նատրիում-իոնային մարտկոցը (NIB) վերալիցքավորվող մարտկոցի տեսակ է։ Ի տարբերություն լիթիում-իոնային մարտկոցի՝ նատրիում-իոնային մարտկոցում որպես լիցքակիրներ լիթիումի փոխարեն օգտագործվում են նատրիումի իոններ (Na+)։ Մնացած առումներով բաղադրությունը, աշխատանքի սկզբունքը և բջջի կառուցվածքը հիմնականում նույնական են տարածված և լայնորեն կիրառվող լիթիում-իոնային մարտկոցների համապատասխան բնութագրերին։ Մարտկոցների այս երկու տեսակների հիմնական տարբերությունն այն է, որ լիթիում-իոնային կոնդենսատորներում օգտագործվում են լիթիումի միացություններ, մինչդեռ նատրիում-իոնային մարտկոցներում կիրառվում է մետաղական նատրիում։ Սա նշանակում է, որ նատրիում-իոնային մարտկոցի կաթոդը պարունակում է նատրիում կամ նատրիումային կոմպոզիտներ և անոդ (պարտադիր չէ, որ այն նատրիումի հիմքով նյութ լինի), ինչպես նաև հեղուկ էլեկտրոլիտ, որը պարունակում է բևեռային պրոտոնային կամ ապրոտոնային լուծիչներում դիսոցված նատրիումի աղեր։ Լիցքավորման ընթացքում Na+ իոնները դուրս են բերվում կաթոդից և ներմուծվում անոդի մեջ, մինչ էլեկտրոնները շարժվում են արտաքին շղթայով։ Լիցքաթափման ընթացքում տեղի է ունենում հակառակ գործընթացը. Na+ իոնները դուրս են բերվում անոդից և կրկին ներմուծվում կաթոդի մեջ, իսկ արտաքին շղթայով շարժվող էլեկտրոնները կատարում են օգտակար աշխատանք։ Իդեալական դեպքում անոդի և կաթոդի նյութերը պետք է կարողանան առանց քայքայման դիմանալ նատրիումի կուտակման կրկնվող ցիկլերին՝ երկար ծառայության ժամկետ ապահովելու համար։
Սոնոքիմիական սինթեզը հուսալի և արդյունավետ մեթոդ է մեծ քանակությամբ բարձրորակ մետաղական նատրիումի աղեր արտադրելու համար, որոնք կարող են օգտագործվել նատրիում-իոնային կոնդենսատորների արտադրության մեջ։ Նատրիումի փոշու սինթեզն իրականացվում է հանքային յուղում հալված մետաղական նատրիումի ուլտրաձայնային դիսպերսման միջոցով։
Գրականություն / Հղումներ
- 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.