การสังเคราะห์อนุภาคนาโนสีน้ำเงินปรัสเซียด้วยวิธีโซโน-อิเล็กโทรเคมิคัล
การสังเคราะห์ทางโซโน-อิเล็กโทรเคมีเป็นการผสมผสานหลักการทางอิเล็กโทรเคมีกับผลกระทบทางกายภาพของคลื่นเสียงความเข้มสูงเพื่อทำให้สามารถผลิตวัสดุนาโนได้อย่างควบคุม เช่น อนุภาคนาโนของสีน้ำเงินปรัสเซียเทคนิคไฮบริดนี้ใช้การเกิดโพรงเสียงอัลตราโซนิกเพื่อเพิ่มการขนส่งมวล, เริ่มความปั่นป่วนขนาดเล็กเฉพาะที่, และส่งเสริมการกำจัดชั้นก๊าซหรือชั้นที่เกิดการเฉื่อยอย่างรวดเร็วที่บริเวณอินเตอร์เฟซของอิเล็กโทรด ผลกระทบเหล่านี้เร่งอัตราการเกิดนิวเคลียส, ปรับปรุงการกระจายตัวของอนุภาค, และทำให้สามารถควบคุมขนาดและรูปร่างได้ดีขึ้นเมื่อเทียบกับการสังเคราะห์ทางเคมีไฟฟ้าแบบดั้งเดิม
สำหรับการสังเคราะห์สีน้ำเงินปรัสเซีย วิธีการโซโน-อิเล็กโทรเคมีช่วยอำนวยความสะดวกในการสร้างอนุภาคนาโนที่มีโครงสร้างผลึกสูงและขนาดสม่ำเสมอภายใต้สภาวะอ่อนโยน ทำให้เป็นวิธีการที่หลากหลายและสามารถปรับขนาดได้สำหรับการผลิตโครงสร้างนาโนที่มีฟังก์ชันสำหรับการใช้งานในด้านการตรวจจับ การเก็บพลังงาน และการเร่งปฏิกิริยา
โซโน-อิเล็กโทรเคมีในหลอดเหย่ง 50 มล.
หัววัดของเครื่องประมวลผลอัลตราโซนิก UIP2000hdT (2000 วัตต์, 20kHz) ทําหน้าที่เป็นอิเล็กโทรดสําหรับการสะสมด้วยไฟฟ้าแบบโซโนของอนุภาคนาโน
หลักการการทำงานของโซโน-อิเล็กโทรเคมี
อัลตราซาวนด์ความเข้มสูง ความถี่ต่ำ (โดยทั่วไป 20–30 kHz) ในของเหลวทำให้เกิดการเกิดโพรงเสียง (acoustic cavitation) คือ การก่อตัว การเติบโต และการยุบตัวแบบระเบิดภายในของฟองอากาศขนาดเล็กการยุบตัวของฟองอากาศเหล่านี้นำไปสู่สภาวะสุดขั้วในบริเวณเฉพาะ—อุณหภูมิสูงถึงประมาณ 5,000 เคลวิน ความดันเกิน 1,000 บรรยากาศ และอัตราการให้ความร้อน/ความเย็นมากกว่า 10⁹ เคลวินต่อวินาที สภาพแวดล้อมจุลภาคที่รุนแรงเหล่านี้เป็นตัวขับเคลื่อนการเปลี่ยนแปลงทางเคมีซึ่งไม่สามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้สภาวะปกติ
เมื่ออัลตราซาวด์ถูกผสานกับเคมีไฟฟ้า ระบบจะได้รับประโยชน์จากหลาย ๆ ผลกระทบที่เสริมกัน:
- การขนส่งมวลที่เพิ่มขึ้น: การไหลของเสียงและไมโครเจ็ตช่วยส่งเสริมการส่งผ่านอย่างรวดเร็วของสารที่มีคุณสมบัติทางไฟฟ้าไปยังผิวหน้าของอิเล็กโทรด
- การกระตุ้นพื้นผิว: การกัดกร่อนทางกลของพื้นผิวอิเล็กโทรดจะกำจัดฟิล์มที่ป้องกันการกัดกร่อนและเพิ่มจุดเริ่มต้นสำหรับการเติบโตของอนุภาคนาโน
- การกำจัดก๊าซ อัลตราซาวด์ช่วยขจัดฟองไฮโดรเจนหรือออกซิเจนที่เกิดขึ้นระหว่างการอิเล็กโทรลิซิส ทำให้การสัมผัสของขั้วไฟฟ้าเป็นไปอย่างมีประสิทธิภาพ
- การเกิดอิมัลชัน/การแขวนลอยในสถานที่ ช่วยในการกระจายตัวให้สม่ำเสมอของสารตั้งต้นและสารเจือปน
ผลกระทบที่เกิดจากการใช้คลื่นเสียงความถี่สูงเหล่านี้ช่วยส่งเสริมการสังเคราะห์โครงสร้างนาโนอย่างมีประสิทธิภาพ โดยที่รูปร่างและการกระจายขนาดขึ้นอยู่กับกระบวนการเกิดนิวเคลียสและการเจริญเติบโตอย่างมีนัยสำคัญ
เส้นทางตกตะกอนทางเคมีไฟฟ้า
การเกิดชั้นไฟฟ้าเคมีแบบคลาสสิกของ PB เกี่ยวข้องกับการรีดิวซ์ของ Fe³⁺ และสารประกอบเฮกซาไซยาโนเฟอเรต(III) หรือ (II)
ปฏิกิริยานี้สามารถเริ่มต้นได้ทางเคมีไฟฟ้าที่อิเล็กโทรดทำงาน ซึ่งสภาพแวดล้อมของค่า pH และรีดอกซ์ในบริเวณนั้นจะเอื้อต่อการตกตะกอนร่วมของ PB ลงบนพื้นผิวของอิเล็กโทรด
การกวนด้วยอิเล็กโทรดคู่ – ตามที่แสดงในกราฟิกด้านบนด้วยสอง เครื่องโซนิคเอเตอร์ Hielscher รุ่น UIP2000hdT ส่งกำลังได้สูงสุด 2000 วัตต์ต่ออิเล็กโทรด – ทำให้ทั้งแอโนดและแคโทดได้รับผลกระทบจากปรากฏการณ์คาวิเทชัน ส่งเสริมการสะสมตัวที่สม่ำเสมอและการกระจายตัวของอนุภาคทั่วทั้งปริมาตรของปฏิกิริยา
ผลของอัลตราซาวด์ต่อการสังเคราะห์สีน้ำเงินปรัสเซีย
เมื่ออัลตราซาวด์ถูกนำเข้าสู่เซลล์อิเล็กโทรเคมี:
- อัตราการเกิดนิวเคลียสเพิ่มขึ้น: เนื่องจากการขนส่งมวลอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดภาวะอิ่มตัวเกินในบริเวณใกล้ขั้วไฟฟ้า ส่งเสริมให้เกิดการเกิดนิวเคลียสแบบสม่ำเสมอ
- การกระจายอนุภาคนาโน: ฟองอากาศจากการเกิดคาวิเทชันรบกวนการเจริญเติบโตของกลุ่มอนุภาค ทำให้เกิดอนุภาคที่มีขนาดเล็กกว่าและมีขนาดใกล้เคียงกันมากขึ้น
- การก่อตัวของรากศัพท์ การเกิดโพรงอากาศเชิงอะคูสติกในน้ำก่อให้เกิดอนุมูลอิสระ •OH และ •H ซึ่งสามารถส่งผลอย่างละเอียดต่อเคมีรีดอกซ์และกระทบต่อสถานะออกซิเดชันของศูนย์เหล็ก
UIP2000hdT, เครื่องโซนิเคเตอร์กำลังสูง 2000 วัตต์ สำหรับการกวนแคโทดในงานโซโน-อิเล็กโทรเคมี
อิเล็กโทรดอัลตราโซนิกสำหรับการสังเคราะห์อนุภาคนาโนทางโซโน-อิเล็กโทรเคมี
การออกแบบนวัตกรรมของเครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบช่วยให้สามารถเปลี่ยนโซโนโทรดมาตรฐานให้กลายเป็นอิเล็กโทรดที่สั่นสะเทือนด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงได้ ทำให้สามารถนำพลังงานเสียงไปใช้กับแอโนดหรือแคโทดได้โดยตรง วิธีการนี้ช่วยเพิ่มการเข้าถึงคลื่นเสียงความถี่สูงได้อย่างมีนัยสำคัญ และช่วยให้สามารถผสานเข้ากับระบบอิเล็กโทรเคมีที่มีอยู่ได้อย่างราบรื่น พร้อมความสามารถในการปรับขนาดจากห้องปฏิบัติการไปสู่การผลิตในเชิงอุตสาหกรรมได้อย่างง่ายดาย
ตรงกันข้ามกับการกำหนดค่าแบบดั้งเดิม – ซึ่งมีเพียงสารละลายอิเล็กโทรไลต์เท่านั้นที่ถูกทำให้เกิดการโซนิคระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่อยู่นิ่ง – การกวนด้วยอิเล็กโทรดโดยตรงให้ผลลัพธ์ที่เหนือกว่า นี่เป็นผลมาจากการขจัดเงาเสียงและการแพร่กระจายของคลื่นที่ไม่เหมาะสม ซึ่งมักจำกัดความเข้มของการเกิดโพรงอากาศที่พื้นผิวอิเล็กโทรดในการตั้งค่าทางอ้อม
การออกแบบแบบโมดูลาร์ช่วยให้สามารถกระตุ้นอัลตราโซนิกของขั้วไฟฟ้าทำงานหรือขั้วไฟฟ้าตรงข้ามได้อย่างอิสระ และผู้ใช้ยังคงควบคุมแรงดันไฟฟ้าและขั้วไฟฟ้าได้อย่างเต็มที่ในระหว่างการใช้งาน Hielscher Ultrasonics นำเสนอขั้วไฟฟ้าอัลตราโซนิกที่สามารถติดตั้งเพิ่มเติมได้ ซึ่งเข้ากันได้กับการตั้งค่าทางเคมีไฟฟ้าแบบมาตรฐาน รวมถึงเซลล์เคมีไฟฟ้าแบบปิดผนึกและเครื่องปฏิกรณ์เคมีไฟฟ้าแบบไหลผ่านประสิทธิภาพสูงสำหรับการพัฒนาขั้นตอนขั้นสูงและการทำงานอย่างต่อเนื่อง
อ่านเพิ่มเติม: https://www.hielscher.com/electro-sonication-ultrasonic-electrodes.htm
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการตั้งค่าโซโน-อิเล็กโทรเคมีในอุตสาหกรรมโดยใช้เครื่องโซนิเคเตอร์รุ่น UIP2000hdT (2000 วัตต์)
การออกแบบ การผลิต และการให้คําปรึกษา – คุณภาพ ผลิตในประเทศเยอรมนี
เครื่องอัลตราโซนิก Hielscher เป็นที่รู้จักกันดีในด้านคุณภาพและมาตรฐานการออกแบบสูงสุด ความทนทานและใช้งานง่ายช่วยให้สามารถรวมเครื่องอัลตราโซนิกของเราเข้ากับโรงงานอุตสาหกรรมได้อย่างราบรื่น สภาพที่ขรุขระและสภาพแวดล้อมที่ต้องการสามารถจัดการได้ง่ายโดยเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher
Hielscher Ultrasonics เป็น บริษัท ที่ได้รับการรับรองมาตรฐาน ISO และให้ความสําคัญเป็นพิเศษกับเครื่องอัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงที่มีเทคโนโลยีล้ําสมัยและเป็นมิตรกับผู้ใช้ แน่นอนว่าเครื่องอัลตราโซนิกของ Hielscher เป็นไปตามมาตรฐาน CE และตรงตามข้อกําหนดของ UL, CSA และ RoHs
วรรณกรรม / อ้างอิง
- Leandro Hostert, Gabriela de Alvarenga, Luís F. Marchesi, Ana Letícia Soares, Marcio Vidotti (2016): One-Pot sonoelectrodeposition of poly(pyrrole)/Prussian blue nanocomposites: Effects of the ultrasound amplitude in the electrode interface and electrocatalytical properties. Electrochimica Acta, Volume 213, 2016. 822-830.
- de Bitencourt Rodrigues, Higor, Oliveira de Brito Lira, Jéssica, Padoin, Natan, Soares, Cíntia, Qurashi, Ahsanulhaq, Ahmed, Nisar (2021): Sonoelectrochemistry: ultrasound-assisted organic electrosynthesis. ACS Sustainable Chemistry and Engineering 9 (29), 2021. 9590-9603.
- Sono-Electrochemical Synthesis Improves Efficiency in Chemical Manufacturing
คําถามที่พบบ่อย
อะไรคือเคมีไฟฟ้า?
เคมีไฟฟ้าเป็นสาขาหนึ่งของเคมีที่ศึกษาความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานไฟฟ้าและปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเกี่ยวข้องกับกระบวนการรีดอกซ์ (การลด-ออกซิเดชัน) ที่อิเล็กตรอนถูกถ่ายโอนระหว่างสสาร โดยปกติจะเกิดขึ้นที่บริเวณรอยต่อระหว่างขั้วไฟฟ้าและสารละลายอิเล็กโทรไลต์ ระบบเคมีไฟฟ้าเป็นพื้นฐานของเทคโนโลยีต่างๆ เช่น แบตเตอรี่ เซลล์เชื้อเพลิง การชุบโลหะด้วยไฟฟ้า การกัดกร่อน และเซนเซอร์
โซโน-อิเล็กโทรเคมีคืออะไร?
โซโน-อิเล็กโทรเคมีเป็นเทคนิคไฮบริดที่ผสมผสานกระบวนการทางอิเล็กโทรเคมีเข้ากับอัลตราซาวนด์ความเข้มสูง โดยอาศัยผลทางกลและทางเคมีของปรากฏการณ์คาวิเทชันเชิงเสียง เช่น การเพิ่มประสิทธิภาพการขนส่งมวล การเกิดอนุมูลอิสระ และสภาพแวดล้อมจุลภาคที่มีพลังงานสูงเฉพาะจุด เพื่อปรับปรุงจลนพลศาสตร์ปฏิกิริยา กิจกรรมของพื้นผิว และการสังเคราะห์วัสดุที่บริเวณรอยต่อระหว่างอิเล็กโทรด
ประโยชน์ของโซโน-อิเล็กโทรเคมีคืออะไร?
โซโน-อิเล็กโทรเคมีมีข้อได้เปรียบหลายประการเหนือกว่าอิเล็กโทรเคมีแบบดั้งเดิม:
การขนส่งมวลที่เพิ่มขึ้น, การเร่งการแพร่กระจายของสารตั้งต้นไปยังผิวหน้าของอิเล็กโทรด
การปรับปรุงการเกิดนิวเคลียสและการเติบโตของผลึก ทำให้สามารถควบคุมขนาดและรูปร่างของอนุภาคนาโนได้ละเอียดยิ่งขึ้น
การกำจัดฟองอากาศอย่างมีประสิทธิภาพ รักษาพื้นผิวของขั้วไฟฟ้าให้ทำงานได้อย่างเต็มที่
การทำความสะอาดพื้นผิวอิเล็กโทรด ผ่านการกัดกร่อนด้วยคลื่นเสียงความถี่สูงของชั้นพาสซีฟ
การกระจายตัวและการเกิดอิมัลชันที่ช่วยอำนวยความสะดวก ซึ่งมีความสำคัญต่อการโดปอย่างสม่ำเสมอหรือการก่อตัวของวัสดุผสม
การประยุกต์ใช้ที่โดดเด่นของโซโน-อิเล็กโทรเคมีคืออะไร?
โซโน-อิเล็กโทรเคมีถูกนำไปใช้ใน:
การสังเคราะห์วัสดุนาโน เช่น อนุภาคนาโนโลหะ ออกไซด์ และสารเลียนแบบสีน้ำเงินปรัสเซีย
การผลิตเซนเซอร์ทางเคมีไฟฟ้า ที่ให้ความไวและความเสถียรที่ดีขึ้น
การเก็บกักพลังงาน รวมถึงการเตรียมอิเล็กโทรดสำหรับแบตเตอรีและซูเปอร์คาปาซิเตอร์
การฟื้นฟูสิ่งแวดล้อม เช่น การย่อยสลายของสารมลพิษผ่านการออกซิเดชันทางไฟฟ้าที่เสริมด้วยโซโนเคมี
การชุบโลหะด้วยไฟฟ้าและการปรับปรุงพื้นผิว เพื่อเพิ่มความสม่ำเสมอและความยึดเกาะของสารเคลือบ
สีน้ำเงินปรัสเซียคืออะไร?
สีน้ำเงินปรัสเซียเป็นสารประกอบเชิงซ้อนของเหล็ก(III)-เหล็ก(II)ที่มีค่าวาเลนซ์ผสม มีสูตรทั่วไปคือ Fe₄[Fe(CN)₆]₃·xH₂O สารนี้ก่อตัวเป็นโครงสร้างตาข่ายทรงลูกบาศก์และมีสมบัติทางเคมีรีดอกซ์ที่หลากหลาย ความสามารถในการแลกเปลี่ยนไอออน และความเป็นมิตรต่อสิ่งมีชีวิตในระดับนาโน สารสีน้ำเงินปรัสเซียแสดงคุณสมบัติทางเคมีไฟฟ้าและการเร่งปฏิกิริยาที่ดีขึ้น ทำให้มีประโยชน์ในไบโอเซนเซอร์ แบตเตอรี่ไอออนโซเดียม อุปกรณ์เปลี่ยนสีด้วยไฟฟ้า และการวินิจฉัยทางการแพทย์
สีน้ำเงินปรัสเซียนใช้ทำอะไร?
สีน้ำเงินปรัสเซีย (Fe₄[Fe(CN)₆]₃·xH₂O) ซึ่งถูกสังเคราะห์ขึ้นครั้งแรกในช่วงต้นศตวรรษที่ 18 ได้พัฒนาจากสีที่มีประวัติศาสตร์ยาวนานมาเป็นวัสดุนาโนที่มีคุณสมบัติหลากหลายรูปแบบนาโนโครงสร้างของ PB แสดงสมบัติที่แตกต่างจากรูปแบบมวลรวม รวมถึงความสามารถในการปรับแต่งกิจกรรมรีดอกซ์ พื้นที่ผิวที่สูงขึ้น และการขนส่งไอออนที่ดีขึ้น ซึ่งทั้งหมดนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการประยุกต์ใช้สมัยใหม่ตั้งแต่การตรวจวัดทางชีวภาพไปจนถึงแบตเตอรี่ไอออน Na⁺
Hielscher Ultrasonics ผลิตโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิกประสิทธิภาพสูงจาก ห้องทดลอง ถึง ขนาดอุตสาหกรรม