Ultrazvukové mokré zrážanie pruských modrých nanokociek
Pruská modrá alebo hexakyanoželezčitan železitý je nanoštruktúrovaná kovová organická konštrukcia (MOF), ktorá sa používa pri výrobe sodíkovo-iónových batérií, biomedicíne, atramentov a elektroniky. Ultrazvuková mokro-chemická syntéza je efektívna, spoľahlivá a rýchla cesta na výrobu nanokociek pruskej modrej a analógov pruskej modrej, ako je hexakyanoželezčitan meďnatý a hexakyanoželezčitan nikelnatý. Ultrazvukom vyzrážané nanočastice pruskej modrej sa vyznačujú úzkou distribúciou veľkosti častíc, monodisperzitou a vysokou funkčnosťou.
Analógy pruskej modrej a hexakyanoželeznatu
Hexakyanoželezany železné sa široko používajú ako funkčný materiál na navrhovanie elektrochemických aplikácií a na výrobu chemických senzorov, elektrochromatických displejov, atramentov a povlakov, batérií (sodíkovo-iónových batérií), kondenzátorov a superkondenzátorov, katiónových skladovacích materiálov, ako sú H+ alebo Cs+, katalyzátory, teranostiky a iné. Vďaka svojej dobrej redoxnej aktivite a vysokej elektrochemickej stabilite je pruská modrá kovovo-organická štruktúra (MOF), ktorá sa široko používa na modifikáciu elektród.
Okrem rôznych iných aplikácií sa pruská modrá a jej analógy hexakyanoželezitan meďnatý a hexakyanoželezčitan nikelnatý používajú ako farebné atramenty modrej, červenej a žltej farby.
Obrovskou výhodou nanočastíc pruskej modrej je ich bezpečnosť. Nanočastice pruskej modrej sú plne biologicky odbúrateľné, biokompatibilné a schválené FDA pre lekárske aplikácie.
Ultrazvukový prístroj UIP2000hdT je výkonné sonochemické zariadenie na syntézu a zrážanie nanočastíc
Sonochemická syntéza pruských modrých nanokociek
Syntéza nanočastíc pruskej modrej / hexakyanoferitu je reakciou heterogénneho mokrého chemického zrážania. Na získanie nanočastíc s úzkou distribúciou veľkosti častíc a monodisperzitou je potrebná spoľahlivá trasa zrážania. Ultrazvuková zrážačka je dobre známa spoľahlivou, efektívnou a jednoduchou syntézou vysokokvalitných nanočastíc a pigmentov, ako je magnetit, molybdénan zinočnatý, fosfolybdénan zinočnatý, rôzne nanočastice jadra a obalu atď.
Mokro-chemické syntézy pre nanočastice pruskej modrej
Sonochemická cesta syntézy nanočastíc pruskej modrej je efektívna, jednoduchá, rýchla a šetrná k životnému prostrediu. Ultrazvukové zrážanie poskytuje vysokokvalitné nanokocky pruskej modrej, ktoré sa vyznačujú rovnomernou malou veľkosťou (cca 5 nm), úzkou distribúciou veľkosti a monodisperzitou.
Nanočastice pruskej modrej môžu byť syntetizované rôznymi zrážacími cestami s polymérnymi stabilizátormi alebo bez nich.
Aby sa zabránilo použitiu stabilizačného polyméru, nanokocky pruskej modrej sa môžu vyzrážať jednoducho ultrazvukovým zmiešaním FeCl3 a K3[Fe(CN)6] v prítomnosti H2O2.
Použitie sonochémie v tomto druhu syntézy pomohlo získať menšie nanočastice (t. j. veľkosť 5 nm namiesto veľkosti ≈50 nm získané bez sonikácie). (Dacarro a kol. 2018)
Prípadové štúdie ultrazvukovej syntézy pruskej modrej
Vo všeobecnosti sa nanočastice pruskej modrej syntetizujú pomocou ultrazvukovej metódy.
Pri tejto technike sa 0,05 M roztok K4[Fe(CN)6] sa pridá do 100 ml roztoku kyseliny chlorovodíkovej (0,1 mol/l). Výsledné K4[Fe(CN)6] vodný roztok sa udržiava pri teplote 40 °C počas sonikácie roztoku počas sonikácie a potom sa nechá vychladnúť pri izbovej teplote. Získaný modrý produkt sa prefiltruje a opakovane premyje destilovanou vodou a absolútnym etanolom a nakoniec sa suší vo vákuovej peci pri 25 ° C počas 12 hodín.
Analóg hexakyanoferitu hexakyanoferitu meďnatého (CuHCF) bol syntetizovaný nasledujúcou cestou:
Nanočastice CuHCF boli syntetizované podľa nasledujúcej rovnice:
Cu(NO3)3 + K4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
CuHCF nanočastice sú syntetizované metódou, ktorú vyvinul Bioni a kol., 2007. Zmes 10 ml 20 mmol L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 mol L-1 Roztok KCl s 10 ml 20 mmol l-1 CuCl2 + 0,1 mol L-1 KCl, v sonikovacej banke. Zmes sa potom ožaruje vysoko intenzívnym ultrazvukovým žiarením po dobu 60 minút pomocou titánového rohu s priamym ponorením (20 kHz, 10Wcm-1), ktorý bol ponorený do hĺbky 1 cm do roztoku. Počas zmesi sa pozoruje výskyt svetlohnedého usadeniny. Táto disperzia sa dialyzuje počas 3 dní, aby sa získala veľmi stabilná, svetlohnedá disperzia.
(porovnaj Jassal et al. 2015)
TEM mikrosnímka nanokociek pruskej modrej stabilizovanej citrátom
štúdia a obrázok: Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006) syntetizovali nanočastice pruskej modrej sonochemickou cestou z K4[Fe(CN)6], v ktorom Fe2+ vznikol rozkladom [FeII(CN)6]4− ultrazvukovým ožarovaním v kyseline chlorovodíkovej; Fe2+ bol oxidovaný na Fe3+ reagovať so zostávajúcim [FeII(CN)6]4− iónov. Výskumná skupina dospela k záveru, že rovnomerné rozloženie veľkosti syntetizovaných pruských modrých nanokociek je spôsobené účinkami ultrazvuku. Obrázok FE-SEM vľavo ukazuje sonochemicky syntetizované nanokocky hexakyanoželeznatu železa Wuovou výskumnou skupinou.
Veľká syntéza: na prípravu PB nanočastíc vo veľkom meradle, PVP (250 g) a K3[Fe(CN)6] (19,8 g) sa pridalo do 2 000 ml roztoku HCl (1 M). Roztok sa sonikoval do číreho stavu a potom sa vložil do pece pri teplote 80 °C, aby sa dosiahla reakcia starnutia na 20–24 hodín. Zmes sa potom odstredila pri 20 000 otáčkach za minútu počas 2 hodín na zber nanočastíc PB. (Bezpečnostná poznámka: Na vylúčenie akéhokoľvek vytvoreného HCN by sa reakcia mala uskutočniť v digestore).
Sonoelektrochemická syntéza pruskej modrej
Ďalšou vysoko účinnou technikou syntézy pruskej modrej je sono-elektrochemická cesta, ktorá synergicky kombinuje elektrochemickú depozíciu s ultrazvukom vysokej intenzity. Táto metóda zvyšuje transport hmoty, urýchľuje kinetiku nukleácie a podporuje rovnomernú tvorbu nanočastíc prostredníctvom kavitáciou indukovaného mikromiešania a aktivácie povrchu. Vďaka tomu je sono-elektrochemická syntéza pruskej modrej spoľahlivým spôsobom priemyselnej výroby pruskej modrej v nanorozmeroch.
Prečítajte si viac o sono-elektrochemickom zariadení na syntézu pruskej modrej!
Ultrazvukové sondy a sonochemické reaktory pre syntézu pruskej modrej
Hielscher Ultrasonics je dlhodobo skúsený výrobca vysoko výkonných sonikátorov, ktoré sa používajú po celom svete vo výskumných laboratóriách a priemyselnej výrobe. Sonochemická syntéza a zrážanie nanočastíc a pigmentov je náročná aplikácia, ktorá si vyžaduje vysoko výkonné ultrazvukové sondy, ktoré generujú konštantné amplitúdy. Všetky sonikátory Hielscher sú navrhnuté a vyrobené tak, aby mohli byť prevádzkované 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri plnom zaťažení. Ultrazvukové procesory sú k dispozícii od kompaktných 50 W ultrazvukových sond až po 16 000 W výkonné inline ultrazvukové reaktory. Široká škála posilňovacích rohov, sonotród a prietokových článkov umožňuje individuálne nastavenie sonochemického systému v súlade s prekurzormi, cestou a konečným produktom.
Sonochemická syntéza – Dávkové alebo inline prispôsobené vašim potrebám
Ultrazvukové sondy Hielscher sa môžu používať na dávkovú a kontinuálnu inline sonikáciu. V závislosti od objemu reakcie a reakčnej rýchlosti vám odporučíme najvhodnejšie ultrazvukové nastavenie. Laboratórne, stolové, pilotné a plne priemyselné sonikátory umožňujú spracovanie akéhokoľvek objemu.
Najvyššie štandardy kvality – Navrhnuté a vyrobené v Nemecku
Spoločnosť Hielscher ako rodinný podnik uprednostňuje najvyššie štandardy kvality pre svoje ultrazvukové procesory. Všetky ultrazvukové zariadenia sa navrhujú, vyrábajú a dôkladne testujú v našom sídle v Teltowe pri Berlíne v Nemecku. Robustnosť a spoľahlivosť ultrazvukových zariadení Hielscher z nich robí pracovného koňa vo vašej výrobe. Prevádzka 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri plnom zaťažení a v náročných podmienkach je prirodzenou vlastnosťou vysoko výkonných ultrazvukových sond a reaktorov Hielscher.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do pilot a priemyselný stupnica.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Čo je pruská modrá?
Pruská modrá sa chemicky správne nazýva hexakyanoželezitan železitý (hexakyanoželezitan železitý(II,III)), ale hovorovo je známa aj ako berlínska modrá, ferocyanid železitý, hexakyanoželezitan železitý, ferocyanid železitý, hexakyanoželezitan železitý(II) a parížska modrá.
Pruská modrá je opísaná ako tmavomodrý pigment, ktorý vzniká pri oxidácii železnatých ferocyanidových solí. Obsahuje hexakyanoželezitý (II) železitý(II) v kryštálovej štruktúre kubickej mriežky. Je nerozpustný vo vode, ale má tiež tendenciu vytvárať koloid, takže môže existovať buď v koloidnej alebo vo vode rozpustnej forme, a v nerozpustnej forme. Podáva sa perorálne na klinické účely, aby sa použil ako protijed na určité druhy otravy ťažkými kovmi, ako je tálium a rádioaktívne izotopy cézia.
Analógmi hexakyanoželezitanu železa (pruská modrá) sú hexakyanoželezitan meďnatý, hexakyanoželezitan kobaltový, hexakyanoželezitan zinočnatý a hexakyanoželezitan nikelnatý.
Čo sú štruktúry kovovo-organických rámcov?
Kovo-organické rámce (MOF) sú triedou zlúčenín pozostávajúcich z kovových iónov alebo zhlukov koordinovaných s organickými ligandmi, ktoré môžu tvoriť jedno-, dvoj- alebo trojrozmerné štruktúry. Sú podtriedou koordinačných polymérov. Koordinačné polyméry sú tvorené kovmi, ktoré sú spojené ligandmi (tzv. linkerové molekuly), takže sa vytvárajú opakujúce sa koordinačné motívy. Medzi ich hlavné vlastnosti patrí kryštalinita a často pórovitosť.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej syntéze štruktúr kovovo-organického rámca (MOF)!
sodíkovo-iónové batérie
Sodíkovo-iónová batéria (NIB) je typ nabíjateľnej batérie. Na rozdiel od lítium-iónovej batérie používa sodíková iónová batéria ako nosiče náboja sodíkové ióny (Na+) namiesto lítia. V opačnom prípade sú zloženie, princíp fungovania a konštrukcia článkov do značnej miery totožné s bežnými a široko používanými lítium-iónovými batériami. Hlavný rozdiel medzi týmito oboma typmi batérií je v tom, že v lítium-iónových kondenzátoroch sa používajú zlúčeniny lítia, zatiaľ čo v Na-iónových batériách sa používajú sodné kovy. To znamená, že katóda sodíkovo-iónovej batérie obsahuje sodík alebo sodné kompozity a anódu (nie nevyhnutne materiál na báze sodíka), ako aj kvapalný elektrolyt obsahujúci disociované sodné soli v polárnych protických alebo aprotických rozpúšťadlách. Počas nabíjania sa Na+ extrahujú z katódy a vkladajú sa do anódy, zatiaľ čo elektróny prechádzajú vonkajším obvodom; počas vybíjania dochádza k opačnému procesu, keď sa Na+ extrahujú z anódy a znova sa vložia do katódy, pričom elektróny prechádzajúce vonkajším obvodom vykonávajú užitočnú prácu. V ideálnom prípade by anódové a katódové materiály mali byť schopné vydržať opakované cykly skladovania sodíka bez degradácie, aby sa zabezpečil dlhý životný cyklus.
Sonochemická syntéza je spoľahlivá a účinná technika na výrobu vysokokvalitných objemových sodných kovových solí, ktoré možno použiť na výrobu sodíkových iónových kondenzátorov. Syntéza sodíkového prášku sa uskutočňuje prostredníctvom ultrazvukovej disperzie roztaveného kovového sodíka v minerálnom oleji.
Literatúra / Referencie
- 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.