Ultradźwiękowe strącanie nanokostek błękitu pruskiego na mokro
Błękit pruski, czyli heksacyjanożelazian żelaza, jest nanostrukturalnym szkieletem metaloorganicznym (MOF), stosowanym w produkcji akumulatorów sodowo-jonowych, biomedycynie, atramentach i elektronice. Ultradźwiękowa synteza metodą chemii mokrej stanowi wydajną, niezawodną i szybką drogę otrzymywania nanokostek błękitu pruskiego oraz analogów błękitu pruskiego, takich jak heksacyjanożelazian miedzi i heksacyjanożelazian niklu. Nanocząstki błękitu pruskiego strącane ultradźwiękowo charakteryzują się wąskim rozkładem wielkości cząstek, monodyspersyjnością i wysoką funkcjonalnością.
Błękit pruski i analogi heksacyjanożelazianów
Błękit pruski, czyli heksacyjanożelaziany żelaza, jest szeroko stosowany jako materiał funkcjonalny do projektowania zastosowań elektrochemicznych oraz wytwarzania czujników chemicznych, wyświetlaczy elektrochromowych, atramentów i powłok, akumulatorów (akumulatorów sodowo-jonowych), kondensatorów i superkondensatorów, materiałów magazynujących kationy, takie jak H+ lub Cs+, katalizatorów, środków teranostycznych i innych produktów. Ze względu na dobrą aktywność redoks i wysoką stabilność elektrochemiczną błękit pruski jest strukturą szkieletu metaloorganicznego (MOF), szeroko stosowaną do modyfikacji elektrod.
Poza różnymi innymi zastosowaniami błękit pruski i jego analogi, heksacyjanożelazian miedzi i heksacyjanożelazian niklu, są stosowane jako barwne atramenty o kolorach odpowiednio niebieskim, czerwonym i żółtym.
Ogromną zaletą nanocząstek błękitu pruskiego jest ich bezpieczeństwo. Nanocząstki błękitu pruskiego są w pełni biodegradowalne, biokompatybilne i dopuszczone przez FDA do zastosowań medycznych.
Sonikator UIP2000hdT jest urządzeniem sonochemicznym o dużej mocy do syntezy i strącania nanocząstek
Sonochemiczna synteza nanokostek błękitu pruskiego
Synteza nanocząstek błękitu pruskiego / heksacyjanoferytu jest reakcją heterogenicznego strącania metodą chemii mokrej. Aby uzyskać nanocząstki o wąskim rozkładzie wielkości i monodyspersyjności, potrzebna jest niezawodna metoda strącania. Strącanie ultradźwiękowe jest dobrze znane jako metoda niezawodnej, wydajnej i prostej syntezy wysokiej jakości nanocząstek i pigmentów, takich jak magnetyt, molibdenian cynku, fosfomolibdenian cynku, różne nanocząstki typu rdzeń–powłoka itp.
Metody syntezy nanocząstek błękitu pruskiego z wykorzystaniem chemii mokrej
Sonochemiczna metoda syntezy nanocząstek błękitu pruskiego jest wydajna, prosta, szybka i przyjazna dla środowiska. Strącanie ultradźwiękowe pozwala otrzymać wysokiej jakości nanokostki błękitu pruskiego, które charakteryzują się jednakową małą wielkością (ok. 5nm), wąskim rozkładem wielkości i monodyspersyjnością.
Nanocząstki błękitu pruskiego można syntetyzować różnymi metodami strącania, z użyciem stabilizatorów polimerowych lub bez nich.
Bez stosowania polimeru stabilizującego nanokostki błękitu pruskiego można strącać po prostu przez ultradźwiękowe mieszanie FeCl3 i K3[Fe(CN)6] w obecności H2O2.
Zastosowanie sonochemii w tego rodzaju syntezie pomogło uzyskać mniejsze nanocząstki (tj. o wielkości 5 nm zamiast ≈50 nm uzyskiwanych bez sonikacji). (Dacarro et al. 2018)
Studia przypadków ultradźwiękowej syntezy błękitu pruskiego
Nanocząstki błękitu pruskiego są na ogół syntetyzowane metodą sonikacji.
W tej technice 0,05 M roztwór K4[Fe(CN)6] dodaje się do 100 ml roztworu kwasu chlorowodorowego o stężeniu (0,1 mol/L). Otrzymany wodny roztwór K4[Fe(CN)6] utrzymuje się w temperaturze 40ºC przez 5 h, poddając go sonikacji, a następnie pozostawia do ostygnięcia w temperaturze pokojowej. Otrzymany niebieski produkt sączy się i wielokrotnie przemywa wodą destylowaną oraz etanolem absolutnym, a na końcu suszy w suszarce próżniowej w temperaturze 25ºC przez 12 h.
Analog heksacyjanoferytu, heksacyjanoferyt miedzi (CuHCF), zsyntetyzowano następującą metodą:
Nanocząstki CuHCF zsyntetyzowano zgodnie z następującym równaniem:
Cu(NO3)3 + K4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
Nanocząstki CuHCF syntetyzuje się metodą opracowaną przez Bioni et al., 2007. Mieszanina 10 mL roztworu zawierającego 20 mmol L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 mol L-1 KCl z 10 mL roztworu zawierającego 20 mmol L-1 CuCl2 + 0,1 mol L-1 KCl, w kolbie do sonikacji. Następnie mieszaninę poddaje się działaniu ultradźwięków o wysokiej intensywności przez 60 min, stosując bezpośrednio zanurzaną sonotrodę tytanową (20 kHz, 10Wcm-1), zanurzoną w roztworze na głębokość 1 cm. Podczas mieszania obserwuje się pojawienie jasnobrązowego osadu. Dyspersję tę poddaje się dializie przez 3 dni w celu uzyskania bardzo stabilnej dyspersji o jasnobrązowej barwie.
(por. Jassal et al. 2015)
Mikrofotografia TEM nanokostek błękitu pruskiego stabilizowanych cytrynianem
badanie i zdjęcie: Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006) zsyntetyzowali nanocząstki błękitu pruskiego metodą sonochemiczną z K4[Fe(CN)6], w której Fe2+ powstawało w wyniku rozkładu [FeII(CN)6]4− pod wpływem ultradźwięków w kwasie chlorowodorowym; Fe2+ utleniano do Fe3+ , aby mogło reagować z pozostałymi jonami [FeII(CN)6]4−. Grupa badawcza stwierdziła, że równomierny rozkład wielkości zsyntetyzowanych nanokostek błękitu pruskiego wynika z działania ultradźwięków. Obraz FE-SEM po lewej przedstawia nanokostki heksacyjanożelazianu żelaza zsyntetyzowane sonochemicznie przez grupę badawczą Wu.
Synteza na dużą skalę: aby przygotować nanocząstki PB na dużą skalę, PVP (250 g) i K3[Fe(CN)6] (19,8 g) dodano do 2 000 mL roztworu HCl (1 M). Roztwór poddawano sonikacji do uzyskania klarowności, a następnie umieszczono w suszarce w temperaturze 80°C w celu przeprowadzenia reakcji starzenia przez 20–24 godziny. Następnie mieszaninę wirowano przy 20 000 rpm przez 2 godziny w celu zebrania nanocząstek PB. (Uwaga dotycząca bezpieczeństwa: aby usunąć wszelki powstający HCN, reakcję należy przeprowadzać pod wyciągiem laboratoryjnym).
Sonoelektrochemiczna synteza błękitu pruskiego
Inną wysoce wydajną techniką syntezy błękitu pruskiego jest metoda sonoelektrochemiczna, która synergicznie łączy osadzanie elektrochemiczne z ultradźwiękami o wysokiej intensywności. Metoda ta usprawnia transport masy, przyspiesza kinetykę zarodkowania i sprzyja równomiernemu tworzeniu nanocząstek dzięki mikromieszaniu wywołanemu kawitacją i aktywacji powierzchni. Dzięki temu sonoelektrochemiczna synteza błękitu pruskiego stanowi niezawodną metodę przemysłowej produkcji błękitu pruskiego w nanoskali.
Dowiedz się więcej o układzie sonoelektrochemicznym do syntezy błękitu pruskiego!
Sondy ultradźwiękowe i reaktory sonochemiczne do syntezy błękitu pruskiego
Hielscher Ultrasonics jest producentem sonikatorów o wysokiej wydajności z wieloletnim doświadczeniem, stosowanych na całym świecie w laboratoriach badawczych i produkcji przemysłowej. Sonochemiczna synteza i strącanie nanocząstek oraz pigmentów to wymagające zastosowanie, które wymaga sond ultradźwiękowych o dużej mocy, generujących stałe amplitudy. Wszystkie sonikatory Hielscher są projektowane i wytwarzane z myślą o pracy 24/7 przy pełnym obciążeniu. Procesory ultradźwiękowe są dostępne w zakresie od kompaktowych sond ultradźwiękowych o mocy 50 watów po przepływowe reaktory ultradźwiękowe o dużej mocy 16 000 watów. Szeroki wybór wzmacniaczy amplitudy, sonotrod i komór przepływowych umożliwia indywidualną konfigurację układu sonochemicznego zgodnie z prekursorami, metodą syntezy i produktem końcowym.
Synteza sonochemiczna – okresowa lub przepływowa, dostosowana do Twoich potrzeb
Sondy ultradźwiękowe Hielscher można stosować do sonikacji okresowej i ciągłej sonikacji przepływowej. W zależności od objętości reakcyjnej i szybkości reakcji zalecimy najbardziej odpowiedni układ ultradźwiękowy. Sonikatory laboratoryjne, stołowe, pilotażowe i w pełni przemysłowe umożliwiają przetwarzanie dowolnej objętości.
Najwyższe standardy jakości – projektowanie i produkcja w Niemczech
Jako firma należąca do rodziny i przez nią zarządzana Hielscher stawia na najwyższe standardy jakości swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie sonikatory są projektowane, wytwarzane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow koło Berlina w Niemczech. Wytrzymałość i niezawodność urządzeń ultradźwiękowych Hielscher sprawiają, że stanowią one niezawodne narzędzia do intensywnej pracy w Twojej produkcji. Praca 24/7 przy pełnym obciążeniu i w wymagających warunkach jest naturalną cechą sond i reaktorów ultradźwiękowych Hielscher o wysokiej wydajności.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| nie dotyczy | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| nie dotyczy | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Homogenizatory ultradźwiękowe o dużej mocy – od skali laboratoryjnej do pilotażowej i przemysłowej .
Warto wiedzieć
Czym jest błękit pruski?
Poprawna nazwa chemiczna błękitu pruskiego to heksacyjanożelazian żelaza (heksacyjanożelazian(II,III) żelaza(II,III)), ale potocznie jest on również znany jako błękit berliński, żelazocyjanek żelaza(III), heksacyjanożelazian żelaza(III), ferrocyjanek żelaza(III), heksacyjanożelazian(II) żelaza(III) i błękit paryski.
Błękit pruski jest opisywany jako pigment o głębokiej niebieskiej barwie, powstający podczas utleniania soli żelazocyjanku żelaza(II). Zawiera heksacyjanożelazian(II) żelaza(III) w strukturze krystalicznej o sieci regularnej. Jest nierozpuszczalny w wodzie, ale wykazuje również skłonność do tworzenia koloidu, dlatego może występować zarówno w postaci koloidalnej lub rozpuszczalnej w wodzie, jak i w postaci nierozpuszczalnej. W zastosowaniach klinicznych podaje się go doustnie jako antidotum przy niektórych rodzajach zatruć metalami ciężkimi, takimi jak tal i radioaktywne izotopy cezu.
Analogami heksacyjanożelazianu żelaza (błękitu pruskiego) są heksacyjanożelazian miedzi, heksacyjanożelazian kobaltu, heksacyjanożelazian cynku i heksacyjanożelazian niklu.
Czym są struktury szkieletów metaloorganicznych?
Szkielety metaloorganiczne (MOF) to klasa związków składających się z jonów metali lub klastrów skoordynowanych z ligandami organicznymi, które mogą tworzyć struktury jedno-, dwu- lub trójwymiarowe. Stanowią podklasę polimerów koordynacyjnych. Polimery koordynacyjne tworzą metale połączone ligandami (tak zwanymi cząsteczkami łącznikowymi) w taki sposób, że powstają powtarzające się motywy koordynacyjne. Do ich głównych cech należą krystaliczność i często porowatość.
Dowiedz się więcej o ultradźwiękowej syntezie struktur szkieletów metaloorganicznych (MOF)!
Akumulatory sodowo-jonowe
Akumulator sodowo-jonowy (NIB) jest rodzajem akumulatora wielokrotnego ładowania. W przeciwieństwie do akumulatora litowo-jonowego akumulator sodowo-jonowy wykorzystuje jony sodu (Na+) zamiast litu jako nośniki ładunku. Poza tym skład, zasada działania i konstrukcja ogniwa są w dużej mierze identyczne jak w powszechnych i szeroko stosowanych akumulatorach litowo-jonowych. Główna różnica między tymi dwoma rodzajami akumulatorów polega na tym, że w kondensatorach litowo-jonowych stosuje się związki litu, natomiast w akumulatorach sodowo-jonowych stosuje się metaliczny sód. Oznacza to, że katoda akumulatora sodowo-jonowego zawiera sód lub kompozyty sodu oraz anodę (niekoniecznie materiał na bazie sodu), a także ciekły elektrolit zawierający zdysocjowane sole sodu w polarnych rozpuszczalnikach protonowych lub aprotonowych. Podczas ładowania Na+ są usuwane z katody i wprowadzane do anody, podczas gdy elektrony przepływają przez obwód zewnętrzny; podczas rozładowywania zachodzi proces odwrotny, w którym Na+ są usuwane z anody i ponownie wprowadzane do katody, a elektrony przepływające przez obwód zewnętrzny wykonują użyteczną pracę. W idealnym przypadku materiały anody i katody powinny wytrzymywać powtarzające się cykle magazynowania sodu bez degradacji, aby zapewnić długi okres eksploatacji.
Synteza sonochemiczna jest niezawodną i wydajną techniką wytwarzania wysokiej jakości soli metalicznego sodu w dużych ilościach, które można wykorzystać do produkcji kondensatorów sodowo-jonowych. Syntezę proszku sodu przeprowadza się przez ultradźwiękowe dyspergowanie stopionego metalicznego sodu w oleju mineralnym.
Literatura / Źródła
- 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.