Ультразвуковое влажное осаждение нанокубов берлинской лазури
Берлинский лазурь или гексацианоферрат железа представляет собой наноструктурированный металлический органический каркас (MOF), который используется в производстве натрий-ионных аккумуляторов, биомедицине, чернилах и электронике. Ультразвуковой влажный химический синтез является эффективным, надежным и быстрым способом получения нанокубов прусской лазури и аналогов прусской синевой, таких как гексацианоферрат меди и гексацианоферрат никеля. Наночастицы прусского синевы, осажденные ультразвуком, характеризуются узким распределением частиц по размерам, монодисперсностью и высокой функциональностью.
Аналоги прусской лазури и гексацианоферрата
Гексацианоферраты берлинской лазури или железа широко используются в качестве функционального материала для проектирования электрохимических приложений и производства химических сенсоров, электрохромных дисплеев, чернил и покрытий, аккумуляторов (натрий-ионных аккумуляторов), конденсаторов и суперконденсаторов, материалов для хранения катионов, таких как H+ или Cs+, катализаторов, тераностики и других. Благодаря своей хорошей окислительно-восстановительной активности и высокой электрохимической стабильности, берлинская лазурь представляет собой металл-органическую каркасную структуру (MOF), которая широко используется для модификации электродов.
Помимо различных других применений, Prussian Blue и его аналоги гексацианоферрат меди и гексацианоферрат никеля используются в качестве цветных красок синего, красного и желтого цвета соответственно.
Огромным преимуществом наночастиц Prussian Blue является их безопасность. Наночастицы берлинской лазури полностью биоразлагаемы, биосовместимы и одобрены FDA для применения в медицине.
Ультразвуковой аппарат UIP2000hdT это мощное сонохимическое устройство для синтеза и осаждения наночастиц
Сонохимический синтез нанокубов берлинской лазури
Синтез наночастиц прусского голубого / гексацианоферрита представляет собой реакцию гетерогенного влажно-химического осаждения. Для получения наночастиц с узким распределением частиц по размерам и монодисперсностью требуется надежный маршрут осаждения. Ультразвуковая преципитация хорошо известна благодаря надежному, эффективному и простому синтезу высококачественных наночастиц и пигментов, таких как магнетит, молибдат цинка, фосфомолибдат цинка, различные наночастицы ядра и оболочки и т. д.
Пути мокрого химического синтеза наночастиц берлинской лазури
Сонохимический метод синтеза наночастиц Prussian Blue является эффективным, простым, быстрым и экологически чистым. Ультразвуковое осаждение дает высококачественные нанокубики Prussian Blue, которые характеризуются равномерным малым размером (около 5 нм), узким распределением по размерам и монодисперсностью.
Наночастицы берлинской лазури могут быть синтезированы различными способами осаждения с полимерными стабилизаторами или без них.
Избегая использования стабилизирующего полимера, нанокубики Prussian Blue можно осаждать просто путем ультразвукового смешивания FeCl3 и К3[Fe(CN)6] в присутствии H2O2.
Использование сонохимии в этом виде синтеза помогло получить наночастицы меньшего размера (т. е. размером 5 нм вместо размера ≈50 нм, полученных без ультразвуковой обработки). (Дакарро и др. 2018)
Тематические исследования ультразвукового синтеза прусского синего
Как правило, наночастицы прусского синего синтезируются с использованием метода ультразвуковой обработки.
В данной методике 0,05 М раствора К4[Fe(CN)6] добавляют к 100 мл раствора соляной кислоты (0,1 моль/л). Полученный К4[Fe(CN)6] водный раствор выдерживают при температуре 40°С в течение 5 ч во время ультразвуковой обработки раствора, а затем дают остыть при комнатной температуре. Полученный синий продукт фильтруют и многократно промывают дистиллированной водой и абсолютным этанолом и, наконец, сушат в вакуумной печи при температуре 25ºC в течение 12 часов.
Гексацианоферрит, аналог гексацианоферрита меди (CuHCF) был синтезирован следующим способом:
Наночастицы CuHCF были синтезированы по следующему уравнению:
Cu(NO3)3 + К4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + КН03
Наночастицы CuHCF синтезированы по методу, разработанному Bioni et al., 2007. Смесь 10 мл 20 ммоль L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 моль л-1 Раствор KCl с 10 мл 20 ммоль л-1 CuCl2 + 0,1 моль л-1 KCl, в колбе с ультразвуком. Затем смесь облучают ультразвуковым излучением высокой интенсивности в течение 60 мин с использованием титанового рупора прямого погружения (20 кГц, 10 Вт·м-1), который опускали в раствор на глубину 1 см. Во время смешивания наблюдается появление светло-коричневого налета. Эта дисперсия диализируется в течение 3 дней для получения очень стабильной дисперсии светло-коричневого цвета.
(ср. Jassal et al. 2015)
ПЭМ микрофотография нанокубиков прусской синевы, стабилизированных цитратом
исследование и фото: Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006) синтезировали наночастицы берлинской лазури сонохимическим путем из калия4[Fe(CN)6], в котором Fe2+ был получен путем разложения [FeII(CN)6]4− под действием ультразвукового облучения в соляной кислоте; Fe2+ окислился до Fe3+ реагировать с оставшимся [FeII(CN)6]4− ионы. Исследовательская группа пришла к выводу, что равномерное распределение по размерам синтезированных нанокубов берлинской лазури обусловлено эффектами ультразвука. На изображении FE-SEM слева показаны сонохимически синтезированные нанокубики гексацианоферрата железа исследовательской группой Ву.
Крупномасштабный синтез: Для крупномасштабного приготовления наночастиц PB использовали PVP (250 г) и K3[Fe(CN)6] (19,8 г) добавляли в 2 000 мл раствора HCl (1 М). Раствор обрабатывали ультразвуком до прозрачности, а затем помещали в печь при температуре 80°C для достижения реакции старения на 20–24 часа. Затем смесь центрифугировали при 20 000 об/мин в течение 2 часов для сбора наночастиц PB. (Примечание по технике безопасности: чтобы удалить любой образовавшийся HCN, реакцию следует проводить в вытяжном шкафу).
Соно-электрохимический синтез берлинской лазури
Другой высокоэффективной технологией синтеза берлинской лазури является соноэлектрохимический метод, в котором синергетически сочетаются электрохимическое осаждение и высокоинтенсивный ультразвук. Этот метод улучшает массоперенос, ускоряет кинетику зарождения и способствует равномерному формированию наночастиц за счет микроперемешивания и активации поверхности, вызванной кавитацией. Это делает соноэлектрохимический синтез берлинской лазури надежным способом промышленного производства наноразмерной берлинской лазури.
Узнайте больше о соноэлектрохимической установке для синтеза берлинской лазури!
Ультразвуковые зонды и сонохимические реакторы для синтеза берлинской лазури
Hielscher Ultrasonics - многолетний опыт производства высокопроизводительных соникаторов, которые используются по всему миру в исследовательских лабораториях и на промышленном производстве. Сонохимический синтез и осаждение наночастиц и пигментов - это сложная задача, требующая применения мощных ультразвуковых датчиков, генерирующих постоянную амплитуду. Все соникаторы Hielscher спроектированы и изготовлены таким образом, что могут работать 24 часа в сутки 7 дней в неделю при полной нагрузке. Ультразвуковые процессоры предлагаются от компактных ультразвуковых датчиков мощностью 50 Вт до мощных поточных ультразвуковых реакторов мощностью 16 000 Вт. Широкий выбор рупоров, сонотродов и проточных кювет позволяет индивидуально настроить сонохимическую систему в соответствии с прекурсорами, путями и конечным продуктом.
Сонохимический синтез – Пакетная или поточная обработка в соответствии с вашими потребностями
Ультразвуковые датчики Hielscher могут использоваться для серийного и непрерывного поточного соника. В зависимости от объема реакции и скорости реакции мы порекомендуем вам наиболее подходящую ультразвуковую установку. Лабораторные, настольные, пилотные и полностью промышленные ультразвуковые установки позволяют обрабатывать любые объемы.
Высочайшие стандарты качества – Разработано и произведено в Германии
Являясь семейным предприятием, Hielscher ставит во главу угла высочайшие стандарты качества для своих ультразвуковых процессоров. Все ультразвуковые аппараты разрабатываются, производятся и тщательно тестируются в нашем головном офисе в Тельтове под Берлином, Германия. Прочность и надежность ультразвукового оборудования Hielscher делают его рабочей лошадкой на вашем производстве. Работа в режиме 24/7 при полной нагрузке и в сложных условиях - естественная характеристика высокопроизводительных ультразвуковых датчиков и реакторов Hielscher.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
Мощные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому пилот и промышленный шкала.
Факты, которые стоит знать
Что такое берлинская лазурь?
Берлинский лазурь химически правильно называется гексацианоферратом железа (Железо(II,III) гексацианоферрат(II,III)), но в разговорной речи также известен как берлинский синий, ферроцианид железа, гексацианоферрат железа, ферроцианид железа (III), гексацианоферрат железа (III) и парижский синий.
Берлинский лазурь описывается как пигмент темно-синего цвета, который образуется при окислении солей ферроцианидов железа. Он содержит гексацианоферрат железа(II) в кристаллической структуре кубической решетки. Он нерастворим в воде, но также имеет тенденцию образовывать коллоиды, поэтому может существовать как в коллоидной, так и в водорастворимой форме, а также в нерастворимой форме. Его перорально вводят в клинических целях в качестве противоядия при некоторых видах отравления тяжелыми металлами, такими как таллий и радиоактивные изотопы цезия.
Аналогами гексацианоферрата железа (прусский синий) являются гексацианоферрат меди, гексацианоферрат кобальта, гексацианоферрат цинка и гексацианоферрат никеля.
Что такое металлоорганические каркасные структуры?
Металл-органические каркасы (MOF) — это класс соединений, состоящих из ионов металлов или кластеров, скоординированных с органическими лигандами, которые могут образовывать одно-, двух- или трехмерные структуры. Они являются подклассом координационных полимеров. Координационные полимеры образованы металлами, которые связаны лигандами (так называемыми линкерными молекулами) таким образом, что образуются повторяющиеся координационные мотивы. К их основным особенностям относятся кристалличность и часто пористость.
Узнайте больше об ультразвуковом синтезе металлоорганических каркасных структур (MOF)!
Натрий-ионные аккумуляторы
Натрий-ионный аккумулятор (NIB) — это тип аккумуляторной батареи. В отличие от литий-ионного аккумулятора, натрий-ионный аккумулятор использует ионы натрия (Na+) вместо лития в качестве носителей заряда. В остальном состав, принцип действия и конструкция элемента в значительной степени идентичны таковым у распространенных и широко используемых литий-ионных аккумуляторов. Основное различие между этими двумя типами аккумуляторов заключается в том, что в литий-ионных конденсаторах используются соединения лития, а в Na-ионных батареях — металлы натрия. Это означает, что катод натрий-ионного аккумулятора содержит натрий или натриевые композиты и анод (не обязательно материал на основе натрия), а также жидкий электролит, содержащий диссоциированные соли натрия в полярных протонных или апротонных растворителях. Во время зарядки Na+ извлекается из катода и вставляется в анод, в то время как электроны проходят по внешней цепи; Во время разрядки происходит обратный процесс, при котором Na+ извлекаются из анода и снова вставляются в катод, а электроны, проходящие по внешнему контуру, выполняют полезную работу. В идеале анодные и катодные материалы должны выдерживать повторяющиеся циклы хранения натрия без деградации, чтобы обеспечить длительный жизненный цикл.
Сонохимический синтез - надежный и эффективный метод получения высококачественных сыпучих солей металлического натрия, которые могут быть использованы для производства натрий-ионных конденсаторов. Синтез порошка натрия осуществляется путем ультразвукового диспергирования расплавленного металлического натрия в минеральном масле.
Литература / Литература
- 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.