Ultrasone natte precipitatie van Pruisisch blauw nanokubussen
Pruisisch blauw of ijzerhexacyanoferraat is een nanogestructureerd organisch metaalraamwerk (MOF) dat wordt gebruikt bij de productie van natrium-ionbatterijen, in de biogeneeskunde en in inkten en elektronica. Ultrasone nat-chemische synthese is een efficiënte, betrouwbare en snelle manier om Pruisisch blauw nanokubussen en Pruisisch blauw analogen zoals koperhexacyanoferraat en nikkelhexacyanoferraat te produceren. Ultrasoon neergeslagen Pruisisch blauw nanodeeltjes worden gekenmerkt door een smalle deeltjesgrootteverdeling, monodispersiteit en hoge functionaliteit.
Pruisisch blauw en hexacyanoferraatanalogen
Pruisisch blauw of ijzerhexacyanoferraten worden op grote schaal gebruikt als functioneel materiaal voor het ontwerpen van elektrochemische toepassingen en voor de vervaardiging van chemische sensoren, elektrochrome displays, inkten en coatings, batterijen (natrium-ionbatterijen), condensatoren en supercondensatoren, kationenopslagmaterialen zoals voor H+ of Cs+, katalysatoren, theranostics en andere. Vanwege de goede redox-activiteit en hoge elektrochemische stabiliteit is Pruisisch blauw een metaal-organisch kader (MOF)-structuur die veel wordt gebruikt voor elektrodemodificatie.
Naast verschillende andere toepassingen worden Pruisisch blauw en zijn analogen koperhexacyanoferraat en nikkelhexacyanoferraat gebruikt als kleurinkten met respectievelijk een blauwe, rode en gele kleur.
Een enorm voordeel van Pruisisch blauw nanodeeltjes is hun veiligheid. Pruisisch blauw nanodeeltjes zijn volledig biologisch afbreekbaar, biocompatibel en goedgekeurd door de FDA voor medische toepassingen.
De ultrasone UIP2000hdT is een krachtig sonochemisch apparaat voor de synthese en precipitatie van nanodeeltjes
Sonochemische synthese van Pruisisch blauw nanokubussen
De synthese van Pruisisch blauw / hexacyanoferriet nanodeeltjes is een reactie van heterogene nat-chemische precipitatie. Om nanodeeltjes met een smalle deeltjesgrootteverdeling en monodispersiteit te verkrijgen, is een betrouwbare precipitatieroute nodig. Ultrasone precipitatie staat bekend om de betrouwbare, efficiënte en eenvoudige synthese van hoogwaardige nanodeeltjes en pigmenten zoals magnetiet, zinkmolybdaat, zinkfosfomolybdaat, verschillende core-shell nanodeeltjes enz.
Natchemische syntheseroutes voor Pruisisch Blauwe Nanodeeltjes
De sonochemische route voor de synthese van Pruisisch blauw nanodeeltjes is efficiënt, gemakkelijk, snel en milieuvriendelijk. Ultrasone precipitatie levert Pruisisch blauw nanokubussen van hoge kwaliteit op, die worden gekenmerkt door uniforme kleine afmetingen (ongeveer 5 nm), smalle grootteverdeling en monodispersiteit.
Pruisisch blauw nanodeeltjes kunnen worden gesynthetiseerd via verschillende precipitatieroutes met of zonder polymere stabilisatoren.
Door het gebruik van een stabiliserend polymeer te vermijden, kunnen Pruisisch Blauwe nanokubussen eenvoudig worden geprecipiteerd door ultrasoon mengen van FeCl3 en K3[Fe(CN)6] in aanwezigheid van H2O2.
Het gebruik van sonochemie in dit soort synthese hielp bij het verkrijgen van kleinere nanodeeltjes (d.w.z. 5 nm groot in plaats van een grootte van ≈50 nm verkregen zonder sonicatie). (Dacarro et al. 2018)
Case studies van Ultrasone Pruisisch Blauw Synthese
In het algemeen worden Pruisisch blauw nanodeeltjes gesynthetiseerd met behulp van ultrasone trillingen.
In deze techniek wordt 0,05 M oplossing van K4[Fe(CN)6] wordt toegevoegd aan 100 ml zoutzuuroplossing van (0,1 mol/L). De resulterende K4[Fe(CN)6] waterige oplossing wordt gedurende 5 uur bij 40ºC gehouden terwijl de oplossing sonisch wordt gemaakt en vervolgens bij kamertemperatuur afgekoeld. Het verkregen blauwe product wordt gefiltreerd en herhaaldelijk gewassen met gedestilleerd water en absolute ethanol en tenslotte gedurende 12 uur gedroogd in een vacuümoven bij 25ºC.
Het hexacyanoferrietanaloog koperhexacyanoferriet (CuHCF) werd gesynthetiseerd via de volgende route:
De CuHCF nanodeeltjes werden gesynthetiseerd volgens de volgende vergelijking:
Cu(NO3)3 + K4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
CuHCF nanodeeltjes worden gesynthetiseerd volgens de methode ontwikkeld door Bioni et al., 2007. Het mengsel van 10 mL van 20 mmol L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 mol L-1 KCl-oplossing met 10 ml van 20 mmol L-1 CuCl2 + 0,1 mol L-1 KCl, in een sonicatiekolf. Het mengsel wordt vervolgens bestraald met ultrasone straling met hoge intensiteit gedurende 60 minuten, waarbij gebruik wordt gemaakt van een titanium hoorn met directe onderdompeling (20 kHz, 10Wcm-1) dat tot een diepte van 1 cm in de oplossing werd gedompeld. Tijdens het mengen wordt een lichtbruine neerslag waargenomen. Deze dispersie wordt gedurende 3 dagen gedialyseerd om een zeer stabiele, lichtbruin gekleurde dispersie te verkrijgen.
(cf. Jassal et al. 2015)
TEM-microfoto van Pruisisch blauw nanokubussen gestabiliseerd met citraat
studie en foto: Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006) synthetiseerden Pruisisch Blauw nanodeeltjes via een sonochemische route uit K4[Fe(CN)6], waarbij Fe2+ werd geproduceerd door de ontleding van [FeII(CN)6]4- door middel van ultrasone bestraling in zoutzuur; het Fe2+ werd geoxideerd tot Fe3+ om te reageren met overgebleven [FeII(CN)64-ionen. De onderzoeksgroep concludeerde dat de uniforme grootteverdeling van gesynthetiseerde Pruisisch blauw nanokubussen wordt veroorzaakt door de effecten van ultrasoonbehandeling. De FE-SEM afbeelding links toont sonochemisch gesynthetiseerde ijzerhexacyanoferraat nanokubussen door de onderzoeksgroep van Wu.
Grootschalige synthese: om op grote schaal PB nanodeeltjes te maken, PVP (250 g) en K3[Fe(CN)6] (19,8 g) werden toegevoegd aan 2.000 mL HCl-oplossing (1 M). De oplossing werd met sonische trillingen helder gemaakt en vervolgens in een oven van 80 °C geplaatst om een verouderingsreactie van 20-24 uur te bewerkstelligen. Het mengsel werd vervolgens gecentrifugeerd bij 20.000 rpm gedurende 2 uur voor het verzamelen van PB nanodeeltjes. (Veiligheidsaanwijzing: Om eventueel gevormde HCN te verdrijven, moet de reactie worden uitgevoerd in een zuurkast).
Sono-elektrochemische synthese van Pruisisch blauw
Een andere zeer efficiënte synthesetechniek voor Pruisisch blauw is de sono-elektrochemische route, waarbij elektrochemische depositie op synergetische wijze wordt gecombineerd met ultrageluid met hoge intensiteit. Deze methode verbetert het massatransport, versnelt de nucleatiekinetiek en bevordert de vorming van uniforme nanodeeltjes door cavitatie-geïnduceerde micro-menging en oppervlakteactivering. Dit maakt de sono-elektrochemische Pruisisch Blauw-synthese tot een betrouwbare methode voor de industriële productie van Pruisisch Blauw op nanoschaal.
Lees meer over de sono-elektrochemische opstelling voor de synthese van Pruisisch blauw!
Ultrasone sondes en sonochemische reactoren voor de synthese van Pruisisch blauw
Hielscher Ultrasonics is een ervaren fabrikant van hoogwaardige sonicators die wereldwijd worden gebruikt in onderzoekslaboratoria en industriële productie. De sonochemische synthese en precipitatie van nanodeeltjes en pigmenten is een veeleisende toepassing die ultrasone sondes met een hoog vermogen vereist die constante amplitudes genereren. Alle Hielscher sonicators zijn ontworpen en vervaardigd om 24/7 onder volle belasting te werken. Ultrasone processors zijn verkrijgbaar van compacte 50 watt ultrasone sondes tot 16.000 watt krachtige inline ultrasone reactors. Een grote variëteit aan boosterhoorns, sonotrodes en flowcellen maken een individuele opstelling van een sonochemisch systeem mogelijk in overeenstemming met de precursors, de pathway en het eindproduct.
sonochemische synthese – Batch of inline afgestemd op uw behoeften
Hielscher ultrasoonsondes kunnen worden gebruikt voor batch en continue inline sonificatie. Afhankelijk van het reactievolume en de reactiesnelheid adviseren wij u de meest geschikte ultrasoonopstelling. Lab-, bench-top-, pilot- en volledig industriële sonicators maken de verwerking van elk volume mogelijk.
Hoogste kwaliteitsnormen – Ontworpen en geproduceerd in Duitsland
Als familiebedrijf geeft Hielscher de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasoonprocessoren. Alle ultrasoonapparaten worden ontworpen, geproduceerd en grondig getest in ons hoofdkantoor in Teltow bij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van Hielscher ultrasoonapparatuur maken het tot een werkpaard in uw productie. 24/7 werking onder volle belasting en in veeleisende omgevingen is een natuurlijke eigenschap van Hielscher hoogwaardige ultrasoonsondes en reactoren.
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Krachtige ultrasone homogenisatoren van lab naar piloot en industrieel schaal.
Wetenswaardigheden
Wat is Pruisisch Blauw?
Pruisisch blauw wordt chemisch correct aangeduid als ijzerhexacyanoferraat (ijzer(II,III) hexacyanoferraat(II,III)), maar is in de volksmond ook bekend als Berlijns blauw, ijzerferrocyanide, ijzerhexacyanoferraat, ijzer(III) ferrocyanide, ijzer(III) hexacyanoferraat(II) en Parijs blauw.
Pruisisch blauw wordt beschreven als een diepblauw pigment dat ontstaat bij de oxidatie van ferrocyanidezouten. Het bevat ijzerhexacyanoferraat(II) in een kristalstructuur met een kubisch rooster. Het is onoplosbaar in water, maar heeft ook de neiging om een colloïde te vormen en kan dus bestaan in colloïdale of in water oplosbare vorm en in een onoplosbare vorm. Het wordt oraal toegediend voor klinische doeleinden om te worden gebruikt als antidotum voor bepaalde soorten vergiftiging door zware metalen, zoals thallium en radioactieve isotopen van cesium.
Analogen van ijzerhexacyanoferraat (Pruisisch blauw) zijn koperhexacyanoferraat, kobalthexacyanoferraat, zinkhexacyanoferraat en nikkelhexacyanoferraat.
Wat zijn metaal-organische raamwerkstructuren?
Metaal-organische kaders (MOF's) zijn een klasse verbindingen die bestaan uit metaalionen of clusters gecoördineerd met organische liganden, die één-, twee- of driedimensionale structuren kunnen vormen. Ze zijn een subklasse van coördinatiepolymeren. Coördinatiepolymeren worden gevormd door metalen die verbonden zijn door liganden (zogenaamde linkermoleculen) zodat zich herhalende coördinatiemotieven vormen. Hun belangrijkste kenmerken zijn kristalliniteit en dat ze vaak poreus zijn.
Lees meer over de ultrasone synthese van metaal-organische raamwerkstructuren (MOF)!
natrium-ion batterijen
De natrium-ion batterij (NIB) is een type oplaadbare batterij. In tegenstelling tot de lithium-ion-accu gebruikt de natrium-ion-accu natriumionen (Na+) in plaats van lithium als ladingdragers. Voor het overige zijn de samenstelling, het werkingsprincipe en de celconstructie grotendeels identiek aan die van de gewone en veelgebruikte lithium-ion-accu. Het belangrijkste verschil tussen deze twee accutypen is dat in Li-ion-condensatoren lithiumverbindingen worden gebruikt, terwijl in Na-ion-accu's natriummetalen worden toegepast. Dit betekent dat de kathode van een natrium-ion-accu natrium of natriumcomposieten bevat en een anode (niet noodzakelijk een op natrium gebaseerd materiaal) evenals een vloeibare elektrolyt die gedissocieerde natriumzouten in polaire protische of aprotische oplosmiddelen bevat. Tijdens het opladen worden Na+ onttrokken aan de kathode en in de anode gestoken terwijl de elektronen door het externe circuit bewegen; tijdens het ontladen vindt het omgekeerde proces plaats waarbij de Na+ worden onttrokken aan de anode en opnieuw in de kathode worden gestoken terwijl de elektronen door het externe circuit bewegen en nuttig werk verrichten. Idealiter zouden de anode- en kathodematerialen bestand moeten zijn tegen herhaalde cycli van natriumopslag zonder degradatie om een lange levensduur te garanderen.
Sonochemische synthese is een betrouwbare en efficiënte techniek om natriummetaalzouten in bulk van hoge kwaliteit te produceren, die gebruikt kunnen worden voor de productie van natriumioncondensatoren. De synthese van natriumpoeder gebeurt via ultrasone dispersie van gesmolten natriummetaal in minerale olie.
Literatuur / Referenties
- 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.