Ultradźwiękowe wytrącanie na mokro nanorurek błękitu pruskiego
Błękit pruski lub heksacyjanożelazian jest nanostrukturalnym szkieletem metaloorganicznym (MOF), który jest stosowany w produkcji akumulatorów sodowo-jonowych, biomedycynie, tuszach i elektronice. Ultradźwiękowa synteza mokro-chemiczna jest wydajną, niezawodną i szybką drogą do produkcji nanokostek błękitu pruskiego i analogów błękitu pruskiego, takich jak heksacyjanożelazian miedzi i heksacyjanożelazian niklu. Wytrącane ultradźwiękowo nanocząstki błękitu pruskiego charakteryzują się wąskim rozkładem wielkości cząstek, monodyspersyjnością i wysoką funkcjonalnością.
Błękit pruski i analogi heksacyjanożelazianu
Błękit pruski lub heksacyjanożelazian jest szeroko stosowany jako materiał funkcjonalny do projektowania zastosowań elektrochemicznych i produkcji czujników chemicznych, wyświetlaczy elektrochromowych, farb i powłok, baterii (akumulatorów sodowo-jonowych), kondensatorów i superkondensatorów, materiałów do przechowywania kationów, takich jak H+ lub Cs+, katalizatorów, teranostyki i innych. Ze względu na dobrą aktywność redoks i wysoką stabilność elektrochemiczną, błękit pruski jest strukturą metaloorganiczną (MOF), która jest szeroko stosowana do modyfikacji elektrod.
Oprócz wielu innych zastosowań, błękit pruski i jego analogi, heksacyjanożelazian miedzi i heksacyjanożelazian niklu, są używane jako farby drukarskie odpowiednio w kolorze niebieskim, czerwonym i żółtym.
Ogromną zaletą nanocząstek błękitu pruskiego jest ich bezpieczeństwo. Nanocząsteczki błękitu pruskiego są w pełni biodegradowalne, biokompatybilne i zatwierdzone przez FDA do zastosowań medycznych.
Sonochemiczna synteza nanorurek błękitu pruskiego
Synteza nanocząstek błękitu pruskiego / heksacyjanoferrytu jest reakcją heterogenicznego strącania chemicznego na mokro. W celu uzyskania nanocząstek o wąskim rozkładzie wielkości cząstek i monodyspersyjności wymagana jest niezawodna droga strącania. Precypitacja ultradźwiękowa jest dobrze znana z niezawodnej, wydajnej i prostej syntezy wysokiej jakości nanocząstek i pigmentów, takich jak magnetyt, molibdenian cynku, fosfomolibdenian cynku, różne nanocząstki rdzeniowe itp.
Ultrasonicator UIP2000hdT to potężne urządzenie sonochemiczne do syntezy i wytrącania nanocząstek
Metody mokrej syntezy chemicznej nanocząstek błękitu pruskiego
Sonochemiczna droga syntezy nanocząstek błękitu pruskiego jest wydajna, łatwa, szybka i przyjazna dla środowiska. Wytrącanie ultradźwiękowe daje wysokiej jakości nanokostki błękitu pruskiego, które charakteryzują się jednolitym małym rozmiarem (ok. 5 nm), wąskim rozkładem wielkości i monodyspersyjnością.
Nanocząstki błękitu pruskiego mogą być syntetyzowane za pomocą różnych metod strącania z lub bez stabilizatorów polimerowych.
Unikając stosowania stabilizującego polimeru, nanokostki błękitu pruskiego mogą być wytrącane 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 rozmiaru ≈50 nm uzyskanego bez sonikacji). (Dacarro et al. 2018)
Studia przypadków ultradźwiękowej syntezy błękitu pruskiego
Ogólnie rzecz biorąc, nanocząstki błękitu pruskiego są syntetyzowane metodą ultradźwiękową.
W tej technice 0,05 M roztwór K4[Fe(CN)6] dodaje się do 100 ml roztworu kwasu solnego o stężeniu (0,1 mol/l). Otrzymany roztwór K4[Fe(CN)6] wodny roztwór utrzymuje się w temperaturze 40ºC przez 5 godzin, jednocześnie poddając roztwór działaniu ultradźwięków, a następnie pozostawia do ostygnięcia w temperaturze pokojowej. Otrzymany niebieski produkt filtruje się i przemywa wielokrotnie wodą destylowaną i absolutnym etanolem, a następnie suszy w piecu próżniowym w temperaturze 25ºC przez 12 godzin.
Analog heksacyjanożelazianu miedzi (CuHCF) zsyntetyzowano następującą drogą:
Nanocząstki CuHCF zostały zsyntetyzowane zgodnie z poniższym równaniem:
Cu(NO3)3 + K4[Fe(CN)6] —> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
Nanocząstki CuHCF są syntetyzowane metodą opracowaną przez Bioni et al., 2007 [1]. Mieszanina 10 ml 20 mmol L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 mol L-1 KCl z 10 ml roztworu 20 mmol L-1 CuCl2 + 0,1 mol L-1 KCl, w kolbie sonikacyjnej. Mieszaninę następnie poddaje się działaniu promieniowania ultradźwiękowego o wysokiej intensywności przez 60 minut, stosując bezpośrednio zanurzoną tytanową tubę (20 kHz, 10Wcm-1), który został zanurzony do głębokości 1 cm w roztworze. Podczas mieszania zaobserwowano pojawienie się jasnobrązowego osadu. Dyspersja ta jest dializowana przez 3 dni w celu uzyskania bardzo stabilnej, jasnobrązowej dyspersji.
(por. Jassal et al. 2015)
Wu et al. (2006) zsyntetyzowali nanocząstki błękitu pruskiego na drodze sonochemicznej z K4[Fe(CN)6], w którym Fe2+ został wytworzony przez rozkład [FeII(CN)6]4- za pomocą promieniowania ultradźwiękowego w kwasie solnym; Fe2+ został utleniony do Fe3+ reaguje z pozostałym [FeII(CN)6]4-. Grupa badawcza doszła do wniosku, że jednolity rozkład wielkości zsyntetyzowanych nanorurek błękitu pruskiego jest spowodowany działaniem ultradźwięków. Obraz FE-SEM po lewej stronie przedstawia sonochemicznie zsyntetyzowane nanokostki heksacyjanożelazianu żelaza przez grupę badawczą Wu.
Synteza na dużą skalę: w celu przygotowania nanocząstek PB na dużą skalę, PVP (250 g) i K3[Fe(CN)6] (19,8 g) dodano do 2000 ml roztworu HCl (1 M). Roztwór poddano działaniu ultradźwięków do uzyskania klarowności, a następnie umieszczono w piecu w temperaturze 80°C w celu uzyskania reakcji starzenia przez 20-24 godziny. Następnie mieszaninę odwirowano z prędkością 20 000 obrotów na minutę przez 2 godziny w celu zebrania nanocząstek PB. (Uwaga dotycząca bezpieczeństwa: Aby usunąć powstały HCN, reakcję należy przeprowadzić w wyciągu).
Mikrografia TEM nanorurek błękitu pruskiego stabilizowanych cytrynianem
badanie i zdjęcie: Dacarro et al. 2018
Sondy ultradźwiękowe i reaktory sonochemiczne do syntezy błękitu pruskiego
Hielscher Ultrasonics jest długoletnim producentem wysokowydajnego sprzętu ultradźwiękowego, który jest używany na całym świecie w laboratoriach i produkcji przemysłowej. Synteza sonochemiczna i wytrącanie nanocząstek i pigmentów jest wymagającą aplikacją, która wymaga sond ultradźwiękowych o dużej mocy, które generują stałe amplitudy. Wszystkie urządzenia ultradźwiękowe Hielscher są zaprojektowane i wyprodukowane do pracy przez 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu pod pełnym obciążeniem. Procesory ultradźwiękowe są dostępne od kompaktowych ultrasonografów laboratoryjnych o mocy 50 W do potężnych systemów ultradźwiękowych inline o mocy 16 000 W. Szeroka gama klaksonów wspomagających, sonotrod i komórek przepływowych pozwala na indywidualną konfigurację systemu sonochemicznego w zależności od prekursorów, ścieżki i produktu końcowego.
Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne sondy ultradźwiękowe, które można specjalnie ustawić, aby zapewnić pełne spektrum bardzo łagodnych do bardzo wysokich amplitud. Jeśli aplikacja sonochemiczna wymaga nietypowych specyfikacji (np. bardzo wysokich temperatur), dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużym obciążeniu i w wymagających środowiskach.
Sonochemiczna synteza wsadowa i liniowa
Sondy ultradźwiękowe Hielscher mogą być używane do sonikacji wsadowej i ciągłej w linii produkcyjnej. W zależności od objętości reakcji i szybkości reakcji, zalecamy najbardziej odpowiednią konfigurację ultradźwiękową.
Sondy ultradźwiękowe i sonoreaktory dla dowolnej objętości
Asortyment produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych, od kompaktowych ultrasonografów laboratoryjnych, przez systemy stacjonarne i pilotażowe, po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe o wydajności umożliwiającej przetwarzanie ładunków ciężarówek na godzinę. Pełna gama produktów pozwala nam zaoferować najbardziej odpowiedni sprzęt ultradźwiękowy do cieczy, wydajności procesu i celów produkcyjnych.
Precyzyjnie kontrolowane amplitudy dla optymalnych wyników
Wszystkie procesory ultradźwiękowe Hielscher są precyzyjnie sterowane, a tym samym niezawodne. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu, które wpływają na wydajność i skuteczność reakcji sonochemicznych i sonomechanicznych. Wszystkie ultradźwięki Hielscher’ Procesory umożliwiają precyzyjne ustawienie amplitudy. Sonotrody i rogi wzmacniające to akcesoria, które pozwalają modyfikować amplitudę w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe firmy Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy i zapewniać wymaganą intensywność ultradźwięków w wymagających zastosowaniach. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania dają możliwość syntezy nanorurek błękitu pruskiego i analogów heksacyjanożelazianu w najbardziej efektywnych warunkach ultradźwiękowych. Optymalna sonikacja dla najbardziej efektywnej syntezy nanocząstek!
Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach. Dzięki temu sprzęt ultradźwiękowy firmy Hielscher jest niezawodnym narzędziem pracy, które spełnia wymagania procesu sonochemicznego.
Najwyższa jakość – Zaprojektowany i wyprodukowany w Niemczech
Jako firma rodzinna, Hielscher priorytetowo traktuje najwyższe standardy jakości dla swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie ultradźwięki są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow koło Berlina w Niemczech. Solidność i niezawodność sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher sprawiają, że jest to koń roboczy w Twojej produkcji. Praca 24/7 pod pełnym obciążeniem i w wymagających środowiskach jest naturalną cechą wysokowydajnych sond ultradźwiękowych i reaktorów firmy Hielscher.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Wysokiej mocy homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do pilot i Przemysł skala.
Literatura / Referencje
- 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.
Fakty, które warto znać
Błękit pruski
Błękit pruski jest chemicznie poprawnie określany jako heksacyjanożelazian (heksacyjanożelazian(II,III) żelaza(II,III)), ale potocznie jest również znany jako błękit berliński, żelazocyjanek żelaza, heksacyjanożelazian żelaza(III), żelazocyjanek żelaza(III), heksacyjanożelazian(II) żelaza(III) i błękit paryski.
Błękit pruski jest opisywany jako ciemnoniebieski pigment, który powstaje podczas utleniania soli żelazocyjanku żelazawego. Zawiera heksacyjanożelazian(II) żelaza w sześciennej strukturze krystalicznej. Jest nierozpuszczalny w wodzie, ale ma również tendencję do tworzenia koloidu, a zatem może występować w postaci koloidalnej lub rozpuszczalnej w wodzie, a także w postaci nierozpuszczalnej. Jest podawany doustnie w celach klinicznych jako antidotum na niektóre rodzaje zatruć metalami ciężkimi, takimi jak tal i radioaktywne izotopy cezu.
Analogami heksacyjanożelazianu (błękitu pruskiego) są heksacyjanożelazian miedzi, heksacyjanożelazian kobaltu, heksacyjanożelazian cynku i heksacyjanożelazian niklu.
baterie sodowo-jonowe
Bateria sodowo-jonowa (NIB) to rodzaj baterii wielokrotnego ładowania. W przeciwieństwie do baterii litowo-jonowych, bateria sodowo-jonowa wykorzystuje jony sodu (Na+) zamiast litu jako nośniki ładunku. Poza tym, skład, zasada działania i konstrukcja ogniwa są w dużej mierze identyczne z powszechnie stosowanymi akumulatorami litowo-jonowymi. Główna różnica między tymi dwoma typami baterii polega na tym, że w kondensatorach litowo-jonowych stosowane są związki litu, podczas gdy w bateriach Na-ion stosowane są metale sodowe. Oznacza to, że katoda akumulatora sodowo-jonowego zawiera sód lub kompozyty sodowe oraz anodę (niekoniecznie na bazie sodu), a także ciekły elektrolit zawierający zdysocjowane sole sodu w polarnych rozpuszczalnikach protowych lub aprotycznych. Podczas ładowania Na+ są pobierane z katody i wprowadzane do anody, podczas gdy elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny; podczas rozładowywania zachodzi proces odwrotny, w którym Na+ są pobierane z anody i ponownie wprowadzane do katody, a elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny, wykonując użyteczną pracę. W idealnym przypadku materiały anody i katody powinny być w stanie wytrzymać powtarzające się cykle przechowywania sodu bez degradacji, aby zapewnić długi cykl życia.
Synteza sonochemiczna jest niezawodną i wydajną techniką produkcji wysokiej jakości soli sodowych, które mogą być wykorzystywane do produkcji kondensatorów sodowo-jonowych. Synteza proszku sodowego odbywa się poprzez ultradźwiękową dyspersję stopionego sodu metalicznego w oleju mineralnym. Jeśli jesteś zainteresowany ultradźwiękową syntezą soli metali sodowych, poproś nas o więcej informacji, wypełniając formularz kontaktowy, wysyłając do nas wiadomość e-mail (na adres info@hielscher.com) lub dzwoniąc do nas!
Metaloorganiczne struktury ramowe
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 one podklasę polimerów koordynacyjnych. Polimery koordynacyjne są tworzone przez metale, które są połączone ligandami (tzw. cząsteczkami łącznikowymi) w taki sposób, że powstają powtarzające się motywy koordynacyjne. Ich główne cechy to krystaliczność i często porowatość.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej syntezie struktur metaloorganicznych (MOF)!