Presipitasi Basah Ultrasonik Nanokubus Biru Prusia
Biru Prusia atau besi heksasianoferrat adalah kerangka logam-organik (MOF) berstruktur nano yang digunakan dalam pembuatan baterai ion natrium, biomedis, tinta, dan elektronika. Sintesis kimia basah ultrasonik merupakan jalur yang efisien, andal, dan cepat untuk menghasilkan nanokubus biru Prusia dan analog biru Prusia seperti tembaga heksasianoferrat dan nikel heksasianoferrat. Nanopartikel biru Prusia yang diendapkan secara ultrasonik memiliki distribusi ukuran partikel yang sempit, monodispersitas, dan fungsionalitas yang tinggi.
Biru Prusia dan Analog Heksasianoferrat
Biru Prusia atau besi heksasianoferrat banyak digunakan sebagai bahan fungsional untuk merancang aplikasi elektrokimia dan membuat sensor kimia, layar elektrokromik, tinta dan pelapis, baterai (baterai ion natrium), kapasitor dan superkapasitor, bahan penyimpan kation seperti untuk H+ atau Cs+, katalis, teranostik, dan lainnya. Berkat aktivitas redoksnya yang baik dan stabilitas elektrokimianya yang tinggi, biru Prusia merupakan struktur kerangka logam-organik (MOF) yang banyak digunakan untuk modifikasi elektrode.
Selain berbagai aplikasi lainnya, biru Prusia dan analognya, tembaga heksasianoferrat dan nikel heksasianoferrat, digunakan sebagai tinta berwarna biru, merah, dan kuning secara berurutan.
Keunggulan besar nanopartikel biru Prusia adalah keamanannya. Nanopartikel biru Prusia sepenuhnya dapat terurai secara hayati, biokompatibel, dan disetujui oleh FDA untuk aplikasi medis.
Sonikator UIP2000hdT merupakan perangkat sonokimia berdaya tinggi untuk sintesis dan presipitasi nanopartikel
Sintesis Sonokimia Nanokubus Biru Prusia
Sintesis nanopartikel biru Prusia / heksasianoferrit merupakan reaksi presipitasi kimia basah heterogen. Untuk memperoleh nanopartikel dengan distribusi ukuran partikel yang sempit dan monodispersitas, diperlukan jalur presipitasi yang andal. Presipitasi ultrasonik dikenal luas untuk sintesis nanopartikel dan pigmen berkualitas tinggi yang andal, efisien, dan sederhana, seperti magnetit, seng molibdat, seng fosfomolibdat, berbagai nanopartikel inti-cangkang, dan sebagainya.
Jalur Sintesis Kimia Basah untuk Nanopartikel Biru Prusia
Jalur sonokimia untuk sintesis nanopartikel biru Prusia bersifat efisien, mudah, cepat, dan ramah lingkungan. Presipitasi ultrasonik menghasilkan nanokubus biru Prusia berkualitas tinggi yang memiliki ukuran kecil seragam (sekitar 5nm), distribusi ukuran yang sempit, dan monodispersitas.
Nanopartikel biru Prusia dapat disintesis melalui berbagai jalur presipitasi dengan atau tanpa penstabil polimer.
Tanpa menggunakan polimer penstabil, nanokubus biru Prusia dapat diendapkan cukup dengan mencampurkan secara ultrasonik FeCl3 dan K3[Fe(CN)6] dengan adanya H2O2.
Penggunaan sonokimia dalam sintesis jenis ini membantu memperoleh nanopartikel yang lebih kecil (yaitu berukuran 5 nm, dibandingkan dengan ukuran ≈50 nm yang diperoleh tanpa sonikasi). (Dacarro et al. 2018)
Studi Kasus Sintesis Ultrasonik Biru Prusia
Secara umum, nanopartikel biru Prusia disintesis menggunakan metode ultrasonikasi.
Dalam teknik ini, larutan 0,05 M K4[Fe(CN)6] ditambahkan ke dalam 100 ml larutan asam klorida (0,1 mol/L). Larutan berair K4[Fe(CN)6] yang dihasilkan dipertahankan pada 40ºC selama 5 h sambil disonikasi, lalu dibiarkan mendingin pada suhu ruang. Produk biru yang diperoleh disaring dan dicuci berulang kali dengan air suling dan etanol absolut, lalu dikeringkan dalam oven vakum pada 25ºC selama 12 h.
Analog heksasianoferrit, yaitu tembaga heksasianoferrit (CuHCF), disintesis melalui jalur berikut:
Nanopartikel CuHCF disintesis menurut persamaan berikut:
Cu(NO3)3 + K4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
Nanopartikel CuHCF disintesis dengan metode yang dikembangkan oleh Bioni et al., 2007. Campuran dibuat dari 10 mL larutan 20 mmol L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 mol L-1 KCl dengan 10 mL larutan 20 mmol L-1 CuCl2 + 0,1 mol L-1 KCl, di dalam labu sonikasi. Campuran kemudian diiradiasi dengan ultrasonik berintensitas tinggi selama 60 min menggunakan horn titanium yang dicelupkan langsung (20 kHz, 10Wcm-1) hingga kedalaman 1 cm ke dalam larutan. Selama pencampuran, teramati munculnya endapan berwarna cokelat muda. Dispersi ini didialisis selama 3 hari untuk memperoleh dispersi berwarna cokelat muda yang sangat stabil.
(bandingkan Jassal et al. 2015)
Mikrograf TEM nanokubus biru Prusia yang distabilkan dengan sitrat
studi dan gambar: Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006) menyintesis nanopartikel biru Prusia melalui jalur sonokimia dari K4[Fe(CN)6], dengan Fe2+ dihasilkan melalui dekomposisi [FeII(CN)6]4− oleh iradiasi ultrasonik dalam asam klorida; Fe2+ dioksidasi menjadi Fe3+ untuk bereaksi dengan ion [FeII(CN)6]4− yang tersisa. Kelompok peneliti tersebut menyimpulkan bahwa distribusi ukuran nanokubus biru Prusia hasil sintesis yang seragam disebabkan oleh efek ultrasonikasi. Gambar FE-SEM di sebelah kiri memperlihatkan nanokubus besi heksasianoferrat yang disintesis secara sonokimia oleh kelompok peneliti Wu.
Sintesis skala besar: untuk menyiapkan nanopartikel PB dalam skala besar, PVP (250 g) dan K3[Fe(CN)6] (19,8 g) ditambahkan ke dalam 2.000 mL larutan HCl (1 M). Larutan disonikasi hingga jernih, lalu ditempatkan dalam oven pada 80°C untuk menjalankan reaksi pemeraman selama 20–24 jam. Campuran kemudian disentrifugasi pada 20.000 rpm selama 2 jam untuk mengumpulkan nanopartikel PB. (Catatan keselamatan: Untuk membuang HCN yang terbentuk, reaksi harus dilakukan di dalam lemari asam).
Sintesis Sonoelektrokimia Biru Prusia
Teknik sintesis lain yang sangat efisien untuk biru Prusia adalah jalur sonoelektrokimia, yang secara sinergis menggabungkan deposisi elektrokimia dengan ultrasonik berintensitas tinggi. Metode ini meningkatkan perpindahan massa, mempercepat kinetika nukleasi, dan mendorong pembentukan nanopartikel yang seragam melalui pencampuran mikro dan aktivasi permukaan yang diinduksi oleh kavitasi. Hal ini menjadikan sintesis sonoelektrokimia biru Prusia sebagai jalur yang andal untuk produksi industri biru Prusia berskala nano.
Baca selengkapnya tentang susunan peralatan sonoelektrokimia untuk sintesis biru Prusia!
Probe Ultrasonik dan Reaktor Sonokimia untuk Sintesis Biru Prusia
Hielscher Ultrasonics adalah produsen dengan pengalaman bertahun-tahun dalam pembuatan sonikator berkinerja tinggi yang digunakan di seluruh dunia dalam laboratorium penelitian dan produksi industri. Sintesis dan presipitasi sonokimia nanopartikel dan pigmen merupakan aplikasi dengan tuntutan tinggi yang memerlukan probe ultrasonik berdaya tinggi yang menghasilkan amplitudo konstan. Semua sonikator Hielscher dirancang dan diproduksi untuk dioperasikan 24/7 dengan beban penuh. Prosesor ultrasonik tersedia mulai dari probe ultrasonik ringkas berdaya 50 watt hingga reaktor ultrasonik inline berdaya tinggi 16.000 watt. Beragam horn penguat, sonotrode, dan sel alir memungkinkan konfigurasi sistem sonokimia secara khusus sesuai dengan prekursor, jalur, dan produk akhir.
Sintesis Sonokimia – Batch atau Inline yang Disesuaikan dengan Kebutuhan Anda
Probe ultrasonik Hielscher dapat digunakan untuk sonikasi batch dan inline kontinu. Berdasarkan volume dan kecepatan reaksi, kami akan merekomendasikan susunan peralatan ultrasonik yang paling sesuai untuk Anda. Sonikator laboratorium, meja, skala pilot, dan skala industri penuh memungkinkan pemrosesan volume berapa pun.
Standar Kualitas Tertinggi – Dirancang dan Diproduksi di Jerman
Sebagai perusahaan milik keluarga yang dikelola oleh keluarga, Hielscher mengutamakan standar kualitas tertinggi untuk prosesor ultrasoniknya. Semua sonikator dirancang, diproduksi, dan diuji secara menyeluruh di kantor pusat kami di Teltow dekat Berlin, Jerman. Ketangguhan dan keandalan peralatan ultrasonik Hielscher menjadikannya andalan dalam produksi Anda. Pengoperasian 24/7 dengan beban penuh dan di lingkungan dengan tuntutan tinggi merupakan karakteristik bawaan probe dan reaktor ultrasonik berkinerja tinggi Hielscher.
Tabel di bawah ini memberikan gambaran perkiraan kapasitas pemrosesan sonikator kami:
| Volume Batch | Laju Alir | Perangkat yang Direkomendasikan |
|---|---|---|
| 1 hingga 500mL | 10 hingga 200mL/min | UP100H |
| 10 hingga 2000mL | 20 hingga 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 hingga 20L | 0,2 hingga 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 hingga 100L | 2 hingga 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 hingga 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | lebih besar | kelompok unit UIP16000 |
Hubungi Kami! / Tanyakan kepada Kami!
Homogenizer ultrasonik berdaya tinggi dari skala laboratorium hingga pilot dan industri .
Fakta yang Perlu Diketahui
Apa Itu Biru Prusia?
Secara kimia, biru Prusia disebut besi heksasianoferrat (besi(II,III) heksasianoferrat(II,III)), tetapi dalam penggunaan sehari-hari juga dikenal sebagai biru Berlin, feri ferosianida, feri heksasianoferrat, besi(III) ferosianida, besi(III) heksasianoferrat(II), dan biru Paris.
Biru Prusia digambarkan sebagai pigmen biru tua yang dihasilkan ketika terjadi oksidasi garam fero ferosianida. Senyawa ini mengandung feri heksasianoferrat(II) dalam struktur kristal berkisi kubik. Senyawa ini tidak larut dalam air, tetapi juga cenderung membentuk koloid sehingga dapat hadir dalam bentuk koloid atau bentuk larut air, serta bentuk tidak larut. Senyawa ini diberikan secara oral untuk keperluan klinis sebagai antidot bagi jenis keracunan logam berat tertentu, seperti talium dan isotop radioaktif sesium.
Analog besi heksasianoferrat (biru Prusia) adalah tembaga heksasianoferrat, kobalt heksasianoferrat, seng heksasianoferrat, dan nikel heksasianoferrat.
Apa Itu Struktur Kerangka Logam-Organik?
Kerangka logam-organik (MOF) merupakan golongan senyawa yang terdiri dari ion atau kluster logam yang berkoordinasi dengan ligan organik, yang dapat membentuk struktur satu, dua, atau tiga dimensi. Senyawa ini merupakan subkelas polimer koordinasi. Polimer koordinasi terbentuk dari logam yang dihubungkan oleh ligan (yang disebut molekul penghubung) sehingga terbentuk motif koordinasi berulang. Ciri utamanya meliputi kristalinitas dan sifat yang sering kali berpori.
Baca selengkapnya tentang sintesis ultrasonik struktur kerangka logam-organik (MOF)!
Baterai Ion Natrium
Baterai ion natrium (NIB) merupakan jenis baterai yang dapat diisi ulang. Berbeda dengan baterai ion litium, baterai ion natrium menggunakan ion natrium (Na+) sebagai pembawa muatan, sebagai pengganti litium. Selain itu, komposisi, prinsip kerja, dan konstruksi selnya sebagian besar identik dengan baterai ion litium yang umum dan banyak digunakan. Perbedaan utama antara kedua jenis baterai tersebut adalah bahwa kapasitor ion litium menggunakan senyawa litium, sedangkan baterai ion natrium menggunakan logam natrium. Ini berarti bahwa katode baterai ion natrium mengandung natrium atau komposit natrium dan anode (tidak harus berupa bahan berbasis natrium), serta elektrolit cair yang mengandung garam natrium terdisosiasi dalam pelarut polar protik atau aprotik. Selama pengisian daya, Na+ dikeluarkan dari katode dan dimasukkan ke dalam anode sementara elektron bergerak melalui rangkaian eksternal; selama pengosongan daya, proses sebaliknya terjadi, yaitu Na+ dikeluarkan dari anode dan dimasukkan kembali ke dalam katode, sementara elektron bergerak melalui rangkaian eksternal untuk melakukan kerja yang bermanfaat. Idealnya, bahan anode dan katode harus mampu menahan siklus penyimpanan natrium berulang tanpa degradasi untuk memastikan masa pakai yang panjang.
Sintesis sonokimia merupakan teknik yang andal dan efisien untuk menghasilkan garam logam natrium berkualitas tinggi dalam jumlah besar, yang dapat digunakan untuk pembuatan kapasitor ion natrium. Sintesis serbuk natrium dilakukan melalui dispersi ultrasonik logam natrium cair dalam minyak mineral.
Literatur / Referensi
- 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.