Prusya Mavisi Nanoküplerinin Ultrasonik Yaş Çöktürülmesi
Prusya mavisi veya demir heksasiyanoferrat, sodyum iyon pillerinin üretiminde, biyotıpta, mürekkeplerde ve elektronikte kullanılan nano yapılı bir metal organik kafestir (MOF). Ultrasonik yaş kimyasal sentez, Prusya mavisi nanoküpleri ve bakır heksasiyanoferrat ve nikel heksasiyanoferrat gibi Prusya mavisi analoglarını üretmek için verimli, güvenilir ve hızlı bir yoldur. Ultrasonik olarak çöktürülen Prusya mavisi nanoparçacıkları, dar parçacık boyutu dağılımı, monodispersite ve yüksek işlevsellik ile karakterize edilir.
Prusya Mavisi ve Heksasiyanoferrat Analogları
Prusya mavisi veya demir heksasiyanoferratlar, elektrokimyasal uygulamalar tasarlamak ve kimyasal sensörler, elektrokromik ekranlar, mürekkepler ve kaplamalar, piller (sodyum iyon pilleri), kondansatörler ve süperkondansatörler, H+ veya Cs+ gibi katyonlar için depolama malzemeleri, katalizörler, teranostikler ve diğerlerini üretmek amacıyla işlevsel bir malzeme olarak yaygın biçimde kullanılır. İyi redoks aktivitesi ve yüksek elektrokimyasal kararlılığı sayesinde Prusya mavisi, elektrot modifikasyonunda yaygın olarak kullanılan bir metal organik kafes (MOF) yapısıdır.
Çeşitli diğer uygulamaların yanı sıra Prusya mavisi ve analogları olan bakır heksasiyanoferrat ve nikel heksasiyanoferrat, sırasıyla mavi, kırmızı ve sarı renkli mürekkepler olarak kullanılır.
Prusya mavisi nanoparçacıklarının büyük bir avantajı güvenli olmalarıdır. Prusya mavisi nanoparçacıkları tamamen biyolojik olarak parçalanabilir, biyouyumludur ve tıbbi uygulamalar için FDA tarafından onaylanmıştır.
UIP2000hdT ultrasonikatörü nanoparçacıkların sentezi ve çöktürülmesi için güçlü bir sonokimyasal cihazdır
Prusya Mavisi Nanoküplerinin Sonokimyasal Sentezi
Prusya mavisi / heksasiyanoferrit nanoparçacıklarının sentezi, heterojen bir yaş kimyasal çöktürme reaksiyonudur. Dar parçacık boyutu dağılımına ve monodispersiteye sahip nanoparçacıklar elde etmek için güvenilir bir çöktürme yolu gereklidir. Ultrasonik çöktürme, manyetit, çinko molibdat, çinko fosfomolibdat, çeşitli çekirdek-kabuk nanoparçacıkları vb. yüksek kaliteli nanoparçacıkların ve pigmentlerin güvenilir, verimli ve basit senteziyle tanınır.
Prusya Mavisi Nanoparçacıkları için Yaş Kimyasal Sentez Yolları
Prusya mavisi nanoparçacık sentezinin sonokimyasal yolu verimli, kolay, hızlı ve çevre dostudur. Ultrasonik çöktürme, tekdüze küçük boyut (yaklaşık 5nm), dar boyut dağılımı ve monodispersite ile karakterize edilen yüksek kaliteli Prusya mavisi nanoküpleri verir.
Prusya mavisi nanoparçacıkları, polimerik stabilizatörlerle veya bunlar olmadan çeşitli çöktürme yollarıyla sentezlenebilir.
Stabilize edici bir polimer kullanılmadan, FeCl3 ve K3[Fe(CN)6] bileşikleri H2O2 varlığında ultrasonik olarak karıştırılarak Prusya mavisi nanoküpleri kolayca çöktürülebilir.
Bu tür bir sentezde sonokimyanın kullanılması, daha küçük nanoparçacıklar elde edilmesine yardımcı olmuştur (yani sonikasyon olmadan elde edilen ≈50 nm boyut yerine 5 nm boyut). (Dacarro et al. 2018)
Ultrasonik Prusya Mavisi Sentezine İlişkin Vaka Çalışmaları
Genellikle Prusya mavisi nanoparçacıkları ultrasonikasyon yöntemi kullanılarak sentezlenir.
Bu teknikte, 0,05 M derişimli K4[Fe(CN)6] çözeltisi, 100 ml hacmindeki (0,1 mol/L) hidroklorik asit çözeltisine eklenir. Elde edilen K4[Fe(CN)6] sulu çözeltisi, sonikasyon uygulanırken 5 h boyunca 40ºC sıcaklıkta tutulur ve ardından oda sıcaklığında soğumaya bırakılır. Elde edilen mavi ürün süzülür, damıtılmış su ve mutlak etanol ile tekrar tekrar yıkanır ve son olarak vakumlu bir etüvde 25ºC sıcaklıkta 12 h boyunca kurutulur.
Heksasiyanoferrit analoğu olan bakır heksasiyanoferrit (CuHCF) aşağıdaki yolla sentezlenmiştir:
CuHCF nanoparçacıkları aşağıdaki denkleme göre sentezlenmiştir:
Cu(NO3)3 + K4[Fe(CN)6] –> Cu4[Fe(CN)6] + KN03
CuHCF nanoparçacıkları, Bioni et al., 2007 tarafından geliştirilen yöntemle sentezlenir. Bir sonikasyon şişesinde, 10 mL hacmindeki 20 mmol L-1 K3[Fe(CN)6] + 0,1 mol L-1 KCl çözeltisi ile 10 mL hacmindeki 20 mmol L-1 CuCl2 + 0,1 mol L-1 KCl çözeltisinden oluşan karışım. Ardından karışım, 60 min boyunca yüksek yoğunluklu ultrason radyasyonuna maruz bırakılır. Bu işlemde kullanılan doğrudan daldırma tipi titanyum horn (20 kHz, 10Wcm-1) çözeltiye 1 cm derinliğe kadar daldırılmıştır. Karıştırma sırasında açık kahverengi bir çökelti oluştuğu gözlenir. Bu dispersiyon, çok kararlı, açık kahverengi bir dispersiyon elde etmek için 3 gün boyunca diyalize tabi tutulur.
(bkz. Jassal et al. 2015)
Sitrat ile stabilize edilmiş Prusya mavisi nanoküplerinin TEM mikrografı
çalışma ve görsel: Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006), Prusya mavisi nanoparçacıklarını sonokimyasal yolla K4[Fe(CN)6] kullanarak sentezlemiştir; bu süreçte hidroklorik asit içinde ultrasonik ışınlama yoluyla [FeII(CN)6]4− parçalanarak Fe2+ üretilmiştir; Fe2+ iyonları Fe3+ iyonlarına yükseltgenerek geriye kalan [FeII(CN)6]4− iyonlarıyla tepkimeye girmiştir. Araştırma grubu, sentezlenen Prusya mavisi nanoküplerinin tekdüze boyut dağılımının ultrasonikasyonun etkilerinden kaynaklandığı sonucuna varmıştır. Soldaki FE-SEM görüntüsü, Wu’nun araştırma grubu tarafından sonokimyasal olarak sentezlenen demir heksasiyanoferrat nanoküplerini göstermektedir.
Büyük ölçekli sentez: PB nanoparçacıklarını büyük ölçekte hazırlamak için PVP (250 g) ve K3[Fe(CN)6] (19,8 g), 2.000 mL HCl çözeltisine (1 M) eklenmiştir. Çözelti berraklaşana kadar sonikasyona tabi tutulmuş ve ardından 20–24 saat süren bir yaşlandırma reaksiyonu gerçekleştirmek üzere 80°C sıcaklıktaki bir etüve yerleştirilmiştir. Daha sonra karışım, PB nanoparçacıklarını toplamak için 2 saat boyunca 20.000 rpm hızında santrifüjlenmiştir. (Güvenlik notu: Oluşan herhangi bir HCN’yi uzaklaştırmak için reaksiyon bir çeker ocakta gerçekleştirilmelidir).
Prusya Mavisinin Sono-Elektrokimyasal Sentezi
Prusya mavisi için son derece verimli bir diğer sentez tekniği, elektrokimyasal biriktirmeyi yüksek yoğunluklu ultrason ile sinerjik olarak birleştiren sono-elektrokimyasal yoldur. Bu yöntem kütle taşınımını artırır, çekirdeklenme kinetiğini hızlandırır ve kavitasyonun neden olduğu mikro karıştırma ve yüzey aktivasyonu yoluyla tekdüze nanoparçacık oluşumunu destekler. Bu özellikler, sono-elektrokimyasal Prusya mavisi sentezini nano ölçekli Prusya mavisinin endüstriyel üretimi için güvenilir bir yol hâline getirir.
Prusya mavisi sentezi için sono-elektrokimyasal düzenek hakkında daha fazla bilgi edinin!
Prusya Mavisi Sentezi için Ultrasonik Problar ve Sonokimyasal Reaktörler
Hielscher Ultrasonics, dünya çapında araştırma laboratuvarlarında ve endüstriyel üretimde kullanılan yüksek performanslı sonikatörlerin üretiminde uzun yıllara dayanan deneyime sahip bir üreticidir. Nanoparçacıkların ve pigmentlerin sonokimyasal sentezi ve çöktürülmesi, sabit genlikler üreten yüksek güçlü ultrasonik problar gerektiren zorlu bir uygulamadır. Tüm Hielscher sonikatörleri, tam yük altında 24/7 çalıştırılmak üzere tasarlanır ve üretilir. Ultrasonik işlemciler, kompakt 50 wattlık ultrasonik problardan 16.000 watt gücündeki hat içi ultrasonik reaktörlere kadar uzanan seçeneklerle sunulur. Çok çeşitli genlik yükseltici hornlar, sonotrotlar ve akış hücreleri; öncüllere, izlenen yola ve nihai ürüne uygun, özelleştirilmiş bir sonokimyasal sistem kurulmasına olanak tanır.
Sonokimyasal Sentez – İhtiyaçlarınıza Göre Uyarlanmış Kesikli veya Hat İçi İşlem
Hielscher ultrasonik probları, kesikli ve sürekli hat içi sonikasyon için kullanılabilir. Reaksiyon hacmine ve reaksiyon hızına bağlı olarak size en uygun ultrasonik düzeneği öneririz. Laboratuvar, tezgâh üstü, pilot ve tamamen endüstriyel sonikatörler, her hacmin işlenmesine olanak tanır.
En Yüksek Kalite Standartları – Almanya’da Tasarlanır ve Üretilir
Aile mülkiyetinde ve aile tarafından yönetilen bir işletme olarak Hielscher, ultrasonik işlemcileri için en yüksek kalite standartlarına öncelik verir. Tüm ultrasonikatörler, Almanya’da Berlin yakınlarındaki Teltow’da bulunan merkezimizde tasarlanır, üretilir ve kapsamlı biçimde test edilir. Hielscher ultrasonik ekipmanlarının sağlamlığı ve güvenilirliği, onları üretiminizde ağır işleri üstlenen cihazlar hâline getirir. Tam yük altında ve zorlu ortamlarda 24/7 çalışma, Hielscher yüksek performanslı ultrasonik problarının ve reaktörlerinin doğal bir özelliğidir.
Aşağıdaki tablo, ultrasonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir:
| Kesikli İşlem Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| uygulanamaz | 10–100L/min | UIP16000 |
| uygulanamaz | daha yüksek | birden fazla UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sorun!
Yüksek güçlü ultrasonik homojenizatörler – laboratuvar ölçeğinden pilot ve endüstriyel ölçeğe.
Bilinmesi Gereken Bilgiler
Prusya Mavisi Nedir?
Prusya mavisinin kimyasal açıdan doğru adı demir heksasiyanoferrattır (Demir(II,III) heksasiyanoferrat(II,III)); ancak günlük dilde Berlin mavisi, ferrik ferrosiyanür, ferrik heksasiyanoferrat, Demir(III) ferrosiyanür, Demir(III) heksasiyanoferrat(II) ve Paris mavisi olarak da bilinir.
Prusya mavisi, ferro ferrosiyanür tuzlarının oksidasyonu gerçekleştiğinde üretilen koyu mavi bir pigment olarak tanımlanır. Kübik kafesli bir kristal yapıda ferrik heksasiyanoferrat(II) içerir. Suda çözünmez, ancak kolloid oluşturma eğilimi de gösterir; dolayısıyla hem kolloidal veya suda çözünen bir formda hem de çözünmeyen bir formda bulunabilir. Talyum ve sezyumun radyoaktif izotopları gibi belirli ağır metal zehirlenmesi türlerinde panzehir olarak kullanılmak üzere klinik amaçlarla ağızdan uygulanır.
Demir heksasiyanoferratın (Prusya mavisi) analogları bakır heksasiyanoferrat, kobalt heksasiyanoferrat, çinko heksasiyanoferrat ve nikel heksasiyanoferrattır.
Metal Organik Kafes Yapıları Nedir?
Metal organik kafesler (MOF’ler), organik ligandlara koordine olmuş metal iyonlarından veya kümelerinden oluşan ve bir, iki veya üç boyutlu yapılar oluşturabilen bir bileşik sınıfıdır. Koordinasyon polimerlerinin bir alt sınıfıdır. Koordinasyon polimerleri, tekrarlayan koordinasyon motifleri oluşturacak şekilde ligandlarla (bağlayıcı moleküller olarak adlandırılır) birbirine bağlanan metallerden oluşur. Başlıca özellikleri arasında kristallik ve çoğu zaman gözenekli olmaları yer alır.
Metal organik kafes (MOF) yapılarının ultrasonik sentezi hakkında daha fazla bilgi edinin!
Sodyum İyon Pilleri
Sodyum iyon pili (NIB), bir şarj edilebilir pil türüdür. Lityum iyon pilinin aksine sodyum iyon pili, yük taşıyıcısı olarak lityum yerine sodyum iyonlarını (Na+) kullanır. Bunun dışında bileşimi, çalışma prensibi ve hücre yapısı, yaygın ve geniş ölçüde kullanılan lityum iyon pillerininkiyle büyük ölçüde aynıdır. Bu iki pil türü arasındaki temel fark, Li-iyon kondansatörlerde lityum bileşiklerinin kullanılması, Na-iyon pillerde ise sodyum metallerinin uygulanmasıdır. Bu, bir sodyum iyon pilinin katodunun sodyum veya sodyum kompozitlerinin yanı sıra bir anot (mutlaka sodyum bazlı bir malzeme olması gerekmez) ve polar protik veya aprotik çözücüler içinde ayrışmış sodyum tuzları içeren sıvı bir elektrolit içerdiği anlamına gelir. Şarj sırasında Na+ katottan çıkarılır ve anoda yerleştirilirken elektronlar dış devreden geçer; deşarj sırasında ise Na+ anottan çıkarılıp yeniden katoda yerleştirilir ve elektronlar dış devreden geçerek yararlı iş yapar; böylece ters süreç gerçekleşir. İdeal olarak anot ve katot malzemeleri, uzun bir kullanım ömrü sağlamak için tekrarlanan sodyum depolama döngülerine bozunmadan dayanabilmelidir.
Sonokimyasal sentez, sodyum iyon kondansatörlerin üretiminde kullanılabilecek yüksek kaliteli sodyum metali tuzlarını büyük miktarlarda üretmek için güvenilir ve verimli bir tekniktir. Sodyum tozunun sentezi, erimiş sodyum metalinin mineral yağ içinde ultrasonik dispersiyonu yoluyla gerçekleştirilir.
Literatür / Kaynaklar
- 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.