Ultraljudsassisterad våtutfällning av nanokuber av berlinerblått

Berlinerblått eller järnhexacyanoferrat är ett nanostrukturerat metallorganiskt ramverk (MOF) som används vid tillverkning av natriumjonbatterier, inom biomedicin samt i bläck och elektronik. Ultraljudsassisterad våtkemisk syntes är en effektiv, tillförlitlig och snabb metod för att framställa nanokuber av berlinerblått och analoger till berlinerblått såsom kopparhexacyanoferrat och nickelhexacyanoferrat. Nanopartiklar av berlinerblått som fällts ut med ultraljud kännetecknas av snäv partikelstorleksfördelning, monodispersitet och hög funktionalitet.

Berlinerblått och hexacyanoferratanaloger

Berlinerblått eller järnhexacyanoferrater används i stor utsträckning som funktionellt material för att utforma elektrokemiska tillämpningar och tillverka kemiska sensorer, elektrokroma displayer, bläck och beläggningar, batterier (natriumjonbatterier), kondensatorer och superkondensatorer, material för lagring av katjoner såsom H+ eller Cs+, katalysatorer, teranostiska produkter med mera. Tack vare sin goda redoxaktivitet och höga elektrokemiska stabilitet är berlinerblått en metallorganisk ramverksstruktur (MOF) som används i stor utsträckning för elektrodmodifiering.
Utöver olika andra tillämpningar används berlinerblått och dess analoger kopparhexacyanoferrat och nickelhexacyanoferrat som bläck i blå, röd respektive gul färg.
En mycket stor fördel med nanopartiklar av berlinerblått är deras säkerhet. Nanopartiklar av berlinerblått är fullständigt biologiskt nedbrytbara, biokompatibla och godkända av FDA för medicinska tillämpningar.

Sonokemisk syntes av nanokuber av berlinerblått

Syntesen av nanopartiklar av berlinerblått / hexacyanoferrit är en heterogen våtkemisk utfällningsreaktion. För att erhålla nanopartiklar med en snäv partikelstorleksfördelning och monodispersitet krävs en tillförlitlig utfällningsmetod. Ultraljudsassisterad utfällning är välkänd för tillförlitlig, effektiv och enkel syntes av högkvalitativa nanopartiklar och pigment såsom magnetit, zinkmolybdat, zinkfosfomolybdat, olika kärna–skal-nanopartiklar med mera.

Våtkemiska syntesmetoder för nanopartiklar av berlinerblått

Den sonokemiska metoden för syntes av nanopartiklar av berlinerblått är effektiv, enkel, snabb och miljövänlig. Ultraljudsassisterad utfällning ger högkvalitativa nanokuber av berlinerblått som kännetecknas av enhetlig liten storlek (cirka 5nm), snäv storleksfördelning och monodispersitet.
Nanopartiklar av berlinerblått kan syntetiseras med olika utfällningsmetoder med eller utan polymera stabilisatorer.
Utan användning av en stabiliserande polymer kan nanokuber av berlinerblått enkelt fällas ut genom att med ultraljud blanda FeCl₃ och K₃[Fe(CN)₆] i närvaro av H₂O₂.
Användningen av sonokemi vid denna typ av syntes bidrog till att erhålla mindre nanopartiklar (dvs. med en storlek på 5 nm i stället för den storlek på ≈50 nm som erhålls utan ultraljudsbehandling). (Dacarro et al. 2018)

Fallstudier av ultraljudsassisterad syntes av berlinerblått

Nanopartiklar av berlinerblått syntetiseras i allmänhet med ultraljudsbehandling.
Vid denna teknik tillsätts en 0,05 M lösning av K₄[Fe(CN)₆] till 100 ml saltsyrelösning med koncentrationen (0,1 mol/L). Den resulterande vattenlösningen av K₄[Fe(CN)₆] hålls vid 40ºC i 5 h medan lösningen ultraljudsbehandlas och får sedan svalna vid rumstemperatur. Den erhållna blå produkten filtreras och tvättas upprepade gånger med destillerat vatten och absolut etanol och torkas slutligen i en vakuumugn vid 25ºC i 12 h.

Hexacyanoferritanalogen kopparhexacyanoferrit (CuHCF) syntetiserades med följande metod:
CuHCF-nanopartiklarna syntetiserades enligt följande ekvation:
Cu(NO₃)₃ + K₄[Fe(CN)₆] –> Cu₄[Fe(CN)₆] + KN0₃

CuHCF-nanopartiklar syntetiseras med den metod som utvecklades av Bioni et al., 2007. Blandningen av 10 mL lösning innehållande 20 mmol L^-1 K₃[Fe(CN)₆] + 0,1 mol L^-1 KCl med 10 mL lösning innehållande 20 mmol L^-1 CuCl₂ + 0,1 mol L^-1 KCl, i en kolv för ultraljudsbehandling. Blandningen bestrålas sedan med högintensivt ultraljud i 60 min med hjälp av ett direkt nedsänkt titanhorn (20 kHz, 10Wcm^-1) som sänkts ned till ett djup av 1 cm i lösningen. Under blandningen observeras att en ljusbrun fällning bildas. Denna dispersion dialyseras under 3 dagar för att erhålla en mycket stabil, ljusbrun dispersion.
(jfr Jassal et al. 2015)

Wu et al. (2006) syntetiserade nanopartiklar av berlinerblått på sonokemisk väg från K₄[Fe(CN)₆], varvid Fe2+ bildades genom sönderdelning av [FeII(CN)6]4− genom ultraljudsbestrålning i saltsyra; Fe²⁺ oxiderades till Fe³⁺ för att reagera med kvarvarande [FeII(CN)₆]4−-joner. Forskargruppen drog slutsatsen att den enhetliga storleksfördelningen hos de syntetiserade nanokuberna av berlinerblått orsakas av ultraljudsbehandlingens effekter. FE-SEM-bilden till vänster visar nanokuber av järnhexacyanoferrat som syntetiserats sonokemiskt av Wus forskargrupp.

Storskalig syntes: för att framställa PB-nanopartiklar i stor skala tillsattes PVP (250 g) och K₃[Fe(CN)₆] (19,8 g) till 2 000 mL HCl-lösning (1 M). Lösningen ultraljudsbehandlades tills den var klar och placerades sedan i en ugn vid 80°C för att genomgå en åldringsreaktion under 20–24 timmar. Blandningen centrifugerades sedan vid 20 000 rpm i 2 timmar för att samla upp PB-nanopartiklarna. (Säkerhetsanmärkning: För att avlägsna eventuell bildad HCN bör reaktionen utföras i ett dragskåp).

Sonoelektrokemisk syntes av berlinerblått

En annan mycket effektiv syntesteknik för berlinerblått är den sonoelektrokemiska metoden, som synergistiskt kombinerar elektrokemisk deponering med högintensivt ultraljud. Denna metod förbättrar masstransporten, accelererar kärnbildningskinetiken och främjar enhetlig nanopartikelbildning genom kavitationsinducerad mikroblandning och ytaktivering. Detta gör sonoelektrokemisk syntes av berlinerblått till en tillförlitlig metod för industriell produktion av berlinerblått i nanoskala.
Läs mer om den sonoelektrokemiska uppställningen för syntes av berlinerblått!

Ultraljudssonder och sonokemiska reaktorer för syntes av berlinerblått

Hielscher Ultrasonics är en tillverkare med lång erfarenhet av högpresterande ultraljudsapparater som används över hela världen i forskningslaboratorier och industriell produktion. Sonokemisk syntes och utfällning av nanopartiklar och pigment är en krävande tillämpning som kräver ultraljudssonder med hög effekt som genererar konstanta amplituder. Alla ultraljudsapparater från Hielscher är konstruerade och tillverkade för drift dygnet runt, alla dagar i veckan, under full belastning. Ultraljudsprocessorer finns tillgängliga från kompakta ultraljudssonder på 50 watt till kraftfulla inline-ultraljudsreaktorer på 16 000 watt. Ett brett utbud av förstärkarhorn, sonotroder och flödesceller gör det möjligt att anpassa ett sonokemiskt system efter utgångsämnena, syntesvägen och slutprodukten.

Sonokemisk syntes – satsvis eller inline, anpassad efter dina behov

Hielschers ultraljudssonder kan användas för satsvis och kontinuerlig ultraljudsbehandling inline. Beroende på reaktionsvolym och reaktionshastighet rekommenderar vi den lämpligaste ultraljudsuppställningen för dig. Ultraljudsapparater för laboratorier, bänkbruk, pilotskala och full industriell skala möjliggör behandling av alla volymer.

Högsta kvalitetsstandarder – konstruerade och tillverkade i Tyskland

Som ett familjeägt och familjedrivet företag prioriterar Hielscher de högsta kvalitetsstandarderna för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultraljudsapparater konstrueras, tillverkas och testas grundligt vid vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin i Tyskland. Hielschers ultraljudsutrustning är robust och tillförlitlig, vilket gör den till en arbetshäst i din produktion. Drift dygnet runt under full belastning och i krävande miljöer är en naturlig egenskap hos Hielschers högpresterande ultraljudssonder och reaktorer.

Tabellen nedan ger dig en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: