การตกตะกอนแบบเปียกของนาโนคิวบ์ปรัสเซียนบลูด้วยอัลตราซาวนด์
ปรัสเซียนบลูหรือ iron hexacyanoferrate เป็นโครงข่ายโลหะอินทรีย์ (MOF) ที่มีโครงสร้างระดับนาโน ซึ่งใช้ในการผลิตแบตเตอรี่โซเดียมไอออน ชีวการแพทย์ หมึก และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การสังเคราะห์ทางเคมีแบบเปียกด้วยอัลตราซาวนด์เป็นแนวทางที่มีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และรวดเร็วในการผลิตนาโนคิวบ์ปรัสเซียนบลูและสารอนาล็อกของปรัสเซียนบลู เช่น copper hexacyanoferrate และ nickel hexacyanoferrate อนุภาคนาโนปรัสเซียนบลูที่ตกตะกอนด้วยอัลตราซาวนด์มีลักษณะเด่นคือการกระจายขนาดอนุภาคในช่วงแคบ ขนาดอนุภาคสม่ำเสมอ และสมบัติเชิงหน้าที่สูง
ปรัสเซียนบลูและสารอนาล็อกของ Hexacyanoferrate
ปรัสเซียนบลูหรือ iron hexacyanoferrates ใช้กันอย่างแพร่หลายในฐานะวัสดุเชิงหน้าที่สำหรับออกแบบการประยุกต์ใช้ทางเคมีไฟฟ้า และผลิตเซนเซอร์เคมี จอแสดงผลอิเล็กโทรโครมิก หมึกและสารเคลือบ แบตเตอรี่ (แบตเตอรี่โซเดียมไอออน) ตัวเก็บประจุและตัวเก็บประจุยิ่งยวด วัสดุกักเก็บแคตไอออน เช่น H+ หรือ Cs+ ตัวเร่งปฏิกิริยา การวินิจฉัยควบคู่การรักษา และอื่น ๆ ด้วยความสามารถในการเกิดปฏิกิริยารีดอกซ์ที่ดีและเสถียรภาพทางเคมีไฟฟ้าสูง ปรัสเซียนบลูจึงเป็นโครงสร้างโครงข่ายโลหะอินทรีย์ (MOF) ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการปรับแต่งขั้วไฟฟ้า
นอกเหนือจากการประยุกต์ใช้อื่น ๆ อีกหลากหลาย ปรัสเซียนบลูและสารอนาล็อก ได้แก่ copper hexacyanoferrate และ nickel hexacyanoferrate ยังใช้เป็นหมึกสีน้ำเงิน สีแดง และสีเหลือง ตามลำดับ
ข้อได้เปรียบอย่างมากของอนุภาคนาโนปรัสเซียนบลูคือความปลอดภัย อนุภาคนาโนปรัสเซียนบลูย่อยสลายทางชีวภาพได้อย่างสมบูรณ์ มีความเข้ากันได้ทางชีวภาพ และได้รับการอนุมัติจาก FDA สำหรับการใช้งานทางการแพทย์
เครื่องอัลตราซาวนด์ UIP2000hdT เป็นอุปกรณ์โซโนเคมีที่มีกำลังสูงสำหรับการสังเคราะห์และการตกตะกอนอนุภาคนาโน
การสังเคราะห์นาโนคิวบ์ปรัสเซียนบลูด้วยโซโนเคมี
การสังเคราะห์อนุภาคนาโนปรัสเซียนบลู / hexacyanoferrite เป็นปฏิกิริยาการตกตะกอนทางเคมีแบบเปียกในระบบวิวิธพันธุ์ การผลิตอนุภาคนาโนที่มีการกระจายขนาดอนุภาคในช่วงแคบและมีขนาดสม่ำเสมอต้องอาศัยแนวทางการตกตะกอนที่เชื่อถือได้ การตกตะกอนด้วยอัลตราซาวนด์เป็นที่รู้จักกันดีในด้านการสังเคราะห์อนุภาคนาโนและเม็ดสีคุณภาพสูงอย่างเชื่อถือได้ มีประสิทธิภาพ และเรียบง่าย เช่น magnetite, zinc molybdate, zinc phosphomolybdate และอนุภาคนาโนแบบแกน–เปลือกชนิดต่าง ๆ เป็นต้น
แนวทางการสังเคราะห์อนุภาคนาโนปรัสเซียนบลูทางเคมีแบบเปียก
แนวทางโซโนเคมีในการสังเคราะห์อนุภาคนาโนปรัสเซียนบลูมีประสิทธิภาพ ทำได้ง่าย รวดเร็ว และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม การตกตะกอนด้วยอัลตราซาวนด์ให้ผลผลิตเป็นนาโนคิวบ์ปรัสเซียนบลูคุณภาพสูง ซึ่งมีลักษณะเด่นคือขนาดเล็กสม่ำเสมอ (ประมาณ 5nm) การกระจายขนาดในช่วงแคบ และขนาดอนุภาคสม่ำเสมอ
อนุภาคนาโนปรัสเซียนบลูสามารถสังเคราะห์ได้ด้วยแนวทางการตกตะกอนหลายแบบ ทั้งที่ใช้และไม่ใช้สารเพิ่มเสถียรภาพชนิดพอลิเมอร์
หากหลีกเลี่ยงการใช้พอลิเมอร์เพิ่มเสถียรภาพ สามารถทำให้นาโนคิวบ์ปรัสเซียนบลูตกตะกอนได้อย่างง่ายดายโดยใช้อัลตราซาวนด์ผสม FeCl3 และ K3[Fe(CN)6] ในสภาวะที่มี H2O2.
การใช้โซโนเคมีในการสังเคราะห์ประเภทนี้ช่วยให้ได้อนุภาคนาโนที่เล็กลง (กล่าวคือ มีขนาด 5 nm แทนขนาด ≈50 nm ที่ได้เมื่อไม่ใช้อัลตราซาวนด์) (Dacarro et al. 2018)
กรณีศึกษาการสังเคราะห์ปรัสเซียนบลูด้วยอัลตราซาวนด์
โดยทั่วไป อนุภาคนาโนปรัสเซียนบลูสังเคราะห์โดยใช้วิธีการให้อัลตราซาวนด์
ในเทคนิคนี้ สารละลายความเข้มข้น 0.05 M ของ K4[Fe(CN)6] จะถูกเติมลงในสารละลายกรดไฮโดรคลอริกปริมาตร 100 ml ที่มีความเข้มข้น (0.1 mol/L) สารละลาย K4[Fe(CN)6] ในน้ำที่ได้จะถูกคงไว้ที่ 40ºC เป็นเวลา 5 h ขณะให้อัลตราซาวนด์แก่สารละลาย จากนั้นปล่อยให้เย็นลงที่อุณหภูมิห้อง ผลิตภัณฑ์สีน้ำเงินที่ได้จะถูกกรองและล้างซ้ำหลายครั้งด้วยน้ำกลั่นและเอทานอลสัมบูรณ์ สุดท้ายทำให้แห้งในตู้อบสุญญากาศที่ 25ºC เป็นเวลา 12 h
สารอนาล็อกของ hexacyanoferrite คือ copper hexacyanoferrite (CuHCF) สังเคราะห์ด้วยแนวทางต่อไปนี้:
อนุภาคนาโน CuHCF สังเคราะห์ตามสมการต่อไปนี้:
Cu(NO3)3 + K4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
อนุภาคนาโน CuHCF สังเคราะห์ด้วยวิธีที่พัฒนาโดย Bioni et al., 2007 ส่วนผสมของสารละลายปริมาตร 10 mL ความเข้มข้น 20 mmol L-1 K3[Fe(CN)6] + 0.1 mol L-1 KCl กับสารละลายปริมาตร 10 mL ความเข้มข้น 20 mmol L-1 CuCl2 + 0.1 mol L-1 KCl ในขวดสำหรับให้อัลตราซาวนด์ จากนั้นให้คลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงแก่ส่วนผสมเป็นเวลา 60 min โดยใช้ฮอร์นไทเทเนียมแบบจุ่มโดยตรง (20 kHz, 10Wcm-1) ซึ่งจุ่มลงในสารละลายลึก 1 cm ระหว่างการผสม สังเกตพบการเกิดตะกอนสีน้ำตาลอ่อน ระบบกระจายตัวนี้ผ่านการไดอะไลซิสเป็นเวลา 3 วัน เพื่อให้ได้ระบบกระจายตัวสีน้ำตาลอ่อนที่มีเสถียรภาพสูงมาก
(ดู Jassal et al. 2015)
ภาพจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) ของนาโนคิวบ์ปรัสเซียนบลูที่เพิ่มเสถียรภาพด้วยซิเตรต
การศึกษาและภาพ: Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006) สังเคราะห์อนุภาคนาโนปรัสเซียนบลูด้วยแนวทางโซโนเคมีจาก K4[Fe(CN)6], โดย Fe2+ เกิดจากการสลายตัวของ [FeII(CN)6]4− ด้วยการให้คลื่นอัลตราซาวนด์ในกรดไฮโดรคลอริก จากนั้น Fe2+ ถูกออกซิไดซ์เป็น Fe3+ เพื่อทำปฏิกิริยากับไอออน [FeII(CN)6]4− ที่เหลือ กลุ่มวิจัยสรุปว่าการกระจายขนาดที่สม่ำเสมอของนาโนคิวบ์ปรัสเซียนบลูที่สังเคราะห์ได้เกิดจากผลของการให้อัลตราซาวนด์ ภาพ FE-SEM ทางซ้ายแสดงนาโนคิวบ์ iron hexacyanoferrate ที่สังเคราะห์ด้วยโซโนเคมีโดยกลุ่มวิจัยของ Wu
การสังเคราะห์ในขนาดใหญ่: เพื่อเตรียมอนุภาคนาโน PB ในขนาดใหญ่ เติม PVP (250 g) และ K3[Fe(CN)6] (19.8 g) ลงในสารละลาย HCl (1 M) ปริมาตร 2,000 mL ให้คลื่นอัลตราซาวนด์แก่สารละลายจนใส จากนั้นนำไปไว้ในตู้อบที่ 80°C เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาบ่มเป็นเวลา 20–24 ชั่วโมง แล้วนำส่วนผสมไปปั่นเหวี่ยงที่ 20,000 rpm เป็นเวลา 2 ชั่วโมง เพื่อเก็บรวบรวมอนุภาคนาโน PB (หมายเหตุด้านความปลอดภัย: ควรดำเนินปฏิกิริยาในตู้ดูดควันเพื่อระบาย HCN ใด ๆ ที่เกิดขึ้นออกไป)
การสังเคราะห์ปรัสเซียนบลูด้วยโซโนเคมีไฟฟ้า
อีกเทคนิคหนึ่งที่มีประสิทธิภาพสูงในการสังเคราะห์ปรัสเซียนบลูคือแนวทางโซโนเคมีไฟฟ้า ซึ่งผสานการสะสมตัวทางเคมีไฟฟ้ากับอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงอย่างเสริมฤทธิ์กัน วิธีนี้เพิ่มการถ่ายโอนมวล เร่งจลนพลศาสตร์ของการเกิดนิวเคลียส และส่งเสริมการก่อตัวของอนุภาคนาโนอย่างสม่ำเสมอผ่านการผสมระดับจุลภาคและการกระตุ้นพื้นผิวที่เกิดจากคาวิเทชัน จึงทำให้การสังเคราะห์ปรัสเซียนบลูด้วยโซโนเคมีไฟฟ้าเป็นแนวทางที่เชื่อถือได้สำหรับการผลิตปรัสเซียนบลูระดับนาโนในระดับอุตสาหกรรม
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับชุดอุปกรณ์โซโนเคมีไฟฟ้าสำหรับการสังเคราะห์ปรัสเซียนบลู!
โพรบอัลตราซาวนด์และเครื่องปฏิกรณ์โซโนเคมีสำหรับการสังเคราะห์ปรัสเซียนบลู
Hielscher Ultrasonics เป็นผู้ผลิตเครื่องอัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงที่มีประสบการณ์ยาวนาน โดยเครื่องเหล่านี้ใช้ทั่วโลกในห้องปฏิบัติการวิจัยและการผลิตระดับอุตสาหกรรม การสังเคราะห์และการตกตะกอนอนุภาคนาโนและเม็ดสีด้วยโซโนเคมีเป็นการใช้งานที่มีข้อกำหนดสูง ซึ่งต้องใช้โพรบอัลตราซาวนด์กำลังสูงที่สร้างแอมพลิจูดคงที่ เครื่องอัลตราซาวนด์ Hielscher ทุกเครื่องได้รับการออกแบบและผลิตให้ทำงานได้ตลอด 24/7 ภายใต้ภาระเต็มกำลัง เครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์มีให้เลือกตั้งแต่โพรบอัลตราซาวนด์ขนาดกะทัดรัดกำลัง 50 วัตต์ ไปจนถึงเครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์แบบอินไลน์กำลังสูง 16,000 วัตต์ ฮอร์นเพิ่มแอมพลิจูด โซโนโทรด และเซลล์การไหลที่มีให้เลือกหลากหลายช่วยให้จัดชุดระบบโซโนเคมีเฉพาะได้สอดคล้องกับสารตั้งต้น แนวทางปฏิกิริยา และผลิตภัณฑ์สุดท้าย
การสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมี – แบบแบตช์หรืออินไลน์ที่ปรับให้เหมาะกับความต้องการของคุณ
โพรบอัลตราซาวนด์ Hielscher สามารถใช้ให้อัลตราซาวนด์ได้ทั้งแบบแบตช์และแบบอินไลน์ต่อเนื่อง เราจะแนะนำชุดอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ที่เหมาะสมที่สุดให้คุณโดยพิจารณาจากปริมาตรปฏิกิริยาและอัตราการเกิดปฏิกิริยา เครื่องอัลตราซาวนด์ระดับห้องปฏิบัติการ แบบตั้งโต๊ะ ระดับนำร่อง และระดับอุตสาหกรรมเต็มรูปแบบช่วยให้ประมวลผลได้ทุกปริมาตร
มาตรฐานคุณภาพสูงสุด – ออกแบบและผลิตในเยอรมนี
ในฐานะธุรกิจที่ครอบครัวเป็นเจ้าของและบริหาร Hielscher ให้ความสำคัญกับมาตรฐานคุณภาพสูงสุดสำหรับเครื่องประมวลผลด้วยอัลตราซาวนด์ เครื่องอัลตราซาวนด์ทุกเครื่องได้รับการออกแบบ ผลิต และทดสอบอย่างละเอียดที่สำนักงานใหญ่ของเราในเมือง Teltow ใกล้กรุงเบอร์ลิน ประเทศเยอรมนี ความแข็งแกร่งและความเชื่อถือได้ของอุปกรณ์อัลตราซาวนด์ Hielscher ทำให้อุปกรณ์เหล่านี้เป็นกำลังหลักที่ทำงานหนักในกระบวนการผลิตของคุณ การทำงานตลอด 24/7 ภายใต้ภาระเต็มกำลังและในสภาพแวดล้อมที่มีข้อกำหนดสูงเป็นคุณลักษณะตามปกติของโพรบและเครื่องปฏิกรณ์อัลตราซาวนด์สมรรถนะสูงของ Hielscher
ตารางด้านล่างแสดงความสามารถในการประมวลผลโดยประมาณของเครื่องอัลตราซาวนด์ของเรา:
| ปริมาตรแบตช์ | อัตราการไหล | อุปกรณ์ที่แนะนำ |
|---|---|---|
| 1 ถึง 500mL | 10 ถึง 200mL/min | UP100H |
| 10 ถึง 2000mL | 20 ถึง 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 ถึง 20L | 0.2 ถึง 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 ถึง 100L | 2 ถึง 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 ถึง 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | สูงกว่านี้ | ชุดเครื่อง UIP16000 |
ติดต่อเรา! / สอบถามเรา!
เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราซาวนด์กำลังสูงตั้งแต่ระดับ ห้องปฏิบัติการ ไปจนถึงระดับ นำร่อง และ อุตสาหกรรม .
ข้อเท็จจริงที่ควรรู้
ปรัสเซียนบลูคืออะไร?
ชื่อทางเคมีที่ถูกต้องของปรัสเซียนบลูคือ iron hexacyanoferrate (Iron(II,III) hexacyanoferrate(II,III)) แต่ในภาษาทั่วไปยังเป็นที่รู้จักในชื่อเบอร์ลินบลู, Ferric ferrocyanide, Ferric hexacyanoferrate, Iron(III) ferrocyanide, Iron(III) hexacyanoferrate(II) และปารีเซียนบลู
ปรัสเซียนบลูอธิบายได้ว่าเป็นเม็ดสีน้ำเงินเข้มที่เกิดขึ้นเมื่อเกลือ ferrous ferrocyanide เกิดออกซิเดชัน มี ferric hexacyanoferrate(II) อยู่ในโครงสร้างผลึกแบบโครงตาข่ายลูกบาศก์ สารนี้ไม่ละลายในน้ำ แต่มีแนวโน้มก่อตัวเป็นคอลลอยด์ด้วย จึงสามารถอยู่ได้ทั้งในรูปคอลลอยด์หรือรูปที่ละลายน้ำ และรูปที่ไม่ละลายน้ำ มีการให้สารนี้ทางปากเพื่อวัตถุประสงค์ทางคลินิก โดยใช้เป็นสารแก้พิษจากโลหะหนักบางชนิด เช่น แทลเลียมและไอโซโทปกัมมันตรังสีของซีเซียม
สารอนาล็อกของ iron hexacyanoferrate (ปรัสเซียนบลู) ได้แก่ copper hexacyanoferrate, cobalt hexacyanoferrate, zinc hexacyanoferrate และ nickel hexacyanoferrate
โครงสร้างโครงข่ายโลหะอินทรีย์คืออะไร?
โครงข่ายโลหะอินทรีย์ (MOFs) เป็นกลุ่มสารประกอบที่ประกอบด้วยไอออนโลหะหรือกลุ่มโลหะที่เกิดพันธะโคออร์ดิเนชันกับลิแกนด์อินทรีย์ ซึ่งสามารถก่อตัวเป็นโครงสร้างหนึ่ง สอง หรือสามมิติ สารเหล่านี้เป็นกลุ่มย่อยของพอลิเมอร์โคออร์ดิเนชัน พอลิเมอร์โคออร์ดิเนชันเกิดจากโลหะที่เชื่อมโยงกันด้วยลิแกนด์ (ที่เรียกว่าโมเลกุลตัวเชื่อม) จนเกิดหน่วยโคออร์ดิเนชันซ้ำ ๆ คุณลักษณะหลัก ได้แก่ ความเป็นผลึกและการมีรูพรุนอยู่บ่อยครั้ง
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสังเคราะห์โครงสร้างโครงข่ายโลหะอินทรีย์ (MOF) ด้วยอัลตราซาวนด์!
แบตเตอรี่โซเดียมไอออน
แบตเตอรี่โซเดียมไอออน (NIB) เป็นแบตเตอรี่แบบชาร์จซ้ำได้ชนิดหนึ่ง ต่างจากแบตเตอรี่ลิเทียมไอออน โดยแบตเตอรี่โซเดียมไอออนใช้ไอออนโซเดียม (Na+) แทนลิเทียมเป็นตัวพาประจุ นอกเหนือจากนี้ องค์ประกอบ หลักการทำงาน และโครงสร้างเซลล์ส่วนใหญ่เหมือนกับแบตเตอรี่ลิเทียมไอออนทั่วไปที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย ความแตกต่างหลักระหว่างแบตเตอรี่ทั้งสองประเภทนี้คือ ตัวเก็บประจุ Li-ion ใช้สารประกอบลิเทียม ขณะที่แบตเตอรี่ Na-ion ใช้โลหะโซเดียม ซึ่งหมายความว่าแคโทดของแบตเตอรี่โซเดียมไอออนมีโซเดียมหรือวัสดุคอมโพสิตโซเดียมและแอโนด (ไม่จำเป็นต้องเป็นวัสดุฐานโซเดียม) รวมทั้งอิเล็กโทรไลต์เหลวที่มีเกลือโซเดียมแตกตัวอยู่ในตัวทำละลายมีขั้วชนิดโพรติกหรืออะโพรติก ระหว่างการชาร์จ Na+ จะถูกดึงออกจากแคโทดและแทรกเข้าในแอโนด ขณะที่อิเล็กตรอนเคลื่อนผ่านวงจรภายนอก ระหว่างการคายประจุจะเกิดกระบวนการย้อนกลับ โดย Na+ ถูกดึงออกจากแอโนดและแทรกกลับเข้าในแคโทด พร้อมกับอิเล็กตรอนเคลื่อนผ่านวงจรภายนอกเพื่อทำงานที่เป็นประโยชน์ ตามอุดมคติ วัสดุแอโนดและแคโทดควรสามารถทนต่อรอบการกักเก็บโซเดียมซ้ำ ๆ โดยไม่เสื่อมสภาพ เพื่อให้มีอายุการใช้งานยาวนาน
การสังเคราะห์ด้วยโซโนเคมีเป็นเทคนิคที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพในการผลิตเกลือโลหะโซเดียมคุณภาพสูงในปริมาณมาก ซึ่งสามารถใช้ผลิตตัวเก็บประจุโซเดียมไอออนได้ การสังเคราะห์ผงโซเดียมทำได้โดยใช้อัลตราซาวนด์กระจายโลหะโซเดียมหลอมเหลวในน้ำมันแร่
วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง
- 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.