Ультразвукове вологе осадження прусських синіх нанокубів
Прусський синій або гексаціаноферрат заліза — це наноструктурована металева органічна основа (MOF), яка використовується у виробництві натрій-іонних акумуляторів, біомедицині, чорнилах та електроніці. Ультразвуковий мокрохімічний синтез є ефективним, надійним і швидким шляхом для отримання нанокубів прусського блакитного кольору та аналогів прусського синього, таких як гексаціаноферрат міді та гексаціаноферрат нікелю. Ультразвуково осаджені наночастинки Prussian Blue характеризуються вузьким гранулометричним складом, монодисперсністю та високою функціональністю.
Аналоги прусського синього і гексаціаноферрата
Прусський синій або залізний гексаціаноферати широко використовуються як функціональний матеріал для проектування електрохімічних додатків і для виробництва хімічних датчиків, електрохромних дисплеїв, чорнила і покриттів, акумуляторів (натрій-іонних акумуляторів), конденсаторів і суперконденсаторів, катіонних матеріалів для зберігання, таких як для H+ або Cs+, каталізаторів, тераностики та інших. Завдяки своїй хорошій окислювально-відновній активності та високій електрохімічній стабільності, Prussian Blue є структурою метало-органічного каркаса (MOF), яка широко використовується для модифікації електродів.
Крім різних інших застосувань, прусський синій і його аналоги гексаціаноферрат міді і гексаціаноферрат нікелю використовуються в якості кольорових чорнил синього, червоного і жовтого кольору відповідно.
Величезною перевагою наночастинок Prussian Blue є їх безпека. Наночастинки прусського синього повністю біорозкладаються, біосумісні та схвалені FDA для медичного застосування.
Ультразвуковий апарат UIP2000hdT є потужним ультразвуковим приладом для синтезу та осадження наночастинок
Сонохімічний синтез прусських синіх нанокубів
Синтез наночастинок прусського синього / гексаціанофериту є реакцією різнорідного волого-хімічного опадів. Для отримання наночастинок з вузьким гранулометричним складом і монодисперсністю необхідний надійний маршрут опадів. Ультразвукове преципітація добре відома надійним, ефективним і простим синтезом високоякісних наночастинок і пігментів, таких як магнетит, молібдат цинку, фосфомолібдат цинку, різні наночастинки оболонки ядра тощо.
Шляхи мокрого хімічного синтезу наночастинок прусського синього кольору
Сонохімічний шлях синтезу наночастинок прусського блакитного є ефективним, легким, швидким і екологічно чистим. Ультразвукове осадження дає високоякісні нанокуби Prussian Blue, які характеризуються рівномірним малим розміром (приблизно 5 нм), вузьким розподілом розмірів і монодисперсністю.
Наночастинки прусського синього кольору можуть бути синтезовані різними шляхами опадів з полімерними стабілізаторами або без них.
Уникаючи використання стабілізуючого полімеру, нанокуби Prussian Blue можна осадити простим ультразвуковим змішуванням FeCl3 і К3[Fe(CN]6] у присутності Н2O2.
Використання сонохімії в цьому виді синтезу дозволило отримати більш дрібні наночастинки (тобто розміром 5 нм замість розміру ≈50 нм, отриманого без ультразвукового випромінювання). (Дакарро та ін., 2018)
Приклади ультразвукового синтезу прусської блакиті
Як правило, наночастинки прусського синього синтезуються за допомогою ультразвукового методу.
У цій техніці 0,05 М розчину К4[Fe(CN]6] додається до 100 мл розчину соляної кислоти (0,1 моль/л). Отриманий К4[Fe(CN]6] водний розчин витримують при температурі 40ºC протягом 5 год під час ультразвукового розчину, а потім дають охолонути при кімнатній температурі. Отриманий продукт синього кольору багаторазово фільтрують і промивають дистильованою водою і абсолютним етанолом і, нарешті, сушать у вакуумній печі при температурі 25ºC протягом 12 год.
Аналог гексаціанофериту міді гексаціаноферит (CuHCF) був синтезований наступним шляхом:
Наночастинки CuHCF були синтезовані за наступним рівнянням:
Cu(НІ3)3 + К4[Fe(CN]6] –> З4[Fe(CN]6] + КН03
Наночастинки CuHCF синтезуються за методом, розробленим Bioni та ін. (2007). Суміш із 10 мл розчину концентрацією 20 ммоль/л-1 K3[Fe(CN]6] + 0,1 моль л-1 розчин KCl з 10 мл 20 ммоль л-1 CuCl2 + 0,1 моль л-1 KCl, в ультразвуковій колбі. Потім суміш опромінюють ультразвуковим випромінюванням високої інтенсивності протягом 60 хв за допомогою титанового рупора прямого занурення (20 кГц, 10 Вт см)-1), яку занурювали на глибину до 1 см у розчин. Під час приготування суміші спостерігається поява світло-коричневого нальоту. Цю дисперсію діалізують протягом 3 днів, щоб отримати дуже стабільну дисперсію світло-коричневого кольору.
(пор. Jassal et al. 2015)
ТЕМ-мікрофотографія нанокубів Prussian Blue, стабілізованих цитратом
дослідження та зображення: Dacarro et al. 2018
Wu et al. (2006) синтезували наночастинки прусського синього за допомогою сонохімічного шляху з K4[Fe(CN]6], в якому Fe2+ утворювався шляхом розкладання [FeII(CN)6]4− ультразвуковим опроміненням у соляній кислоті; Фе2+ окислюється до Fe3+ щоб реагувати з залишком [FeII(CN)6]4− іони. Дослідницька група дійшла висновку, що рівномірний розподіл розмірів синтезованих прусських синіх нанокубів зумовлений ефектом ультразвуку. Зображення FE-SEM зліва показує сонохімічно синтезовані нанокуби гексаціаноферрату заліза дослідницькою групою Ву.
Масштабний синтез: для отримання наночастинок PB у великих обсягах, PVP (250 г) та K3[Fe(CN]6] (19,8 г) були додані в 2000 мл розчину HCl (1 М). Розчин ультразвукували до прозорості, а потім поміщали в піч при температурі 80 ° C для досягнення реакції старіння протягом 20-24 годин. Потім суміш центрифугували при 20 000 об/хв протягом 2 годин для збору наночастинок PB. (Примітка з техніки безпеки: Щоб видалити будь-який створений HCN, реакцію слід проводити у витяжній шафі).
Ультразвуково-електрохімічний синтез прусської сині
Ще одним високоефективним методом синтезу прусської сині є соно-електрохімічний шлях, який синергічно поєднує електрохімічне осадження з високоінтенсивним ультразвуком. Цей метод покращує масообмін, прискорює кінетику зародження кристалів та сприяє рівномірному утворенню наночастинок завдяки мікроперемішуванню, спричиненому кавітацією, та активації поверхні. Це робить соноелектрохімічний синтез прусської сині надійним способом промислового виробництва нанорозмірної прусської сині.
Дізнайтеся більше про ультразвуково-електрохімічну установку для синтезу прусської сині!
Ультразвукові зонди та сонохімічні реактори для синтезу прусської блакиті
Компанія «Hielscher Ultrasonics» є виробником з багаторічним досвідом у сфері створення високоефективних ультразвукових приладів, які використовуються по всьому світу в науково-дослідних лабораторіях та на промислових підприємствах. Ультразвуковий синтез та осадження наночастинок і пігментів — це складне завдання, яке вимагає використання потужних ультразвукових зондів, що генерують стабільні амплітуди. Усі ультразвукові апарати Hielscher розроблені та виготовлені для цілодобової роботи під повним навантаженням. Ультразвукові процесори представлені широким асортиментом — від компактних ультразвукових зондів потужністю 50 Вт до потужних лінійних ультразвукових реакторів потужністю 16 000 Вт. Широкий асортимент підсилювальних рупорів, сонотродів та проточних комірок дозволяє індивідуально налаштовувати сонохімічну систему відповідно до вихідних речовин, технологічного процесу та кінцевого продукту.
Сонохимический синтез – Пакетна або потокова обробка відповідно до ваших потреб
Ультразвукові датчики компанії Hielscher можна використовувати як для періодичної, так і для безперервної обробки ультразвуком у технологічному потоці. Залежно від об’єму та швидкості реакції ми порекомендуємо вам найбільш підходящу ультразвукову установку. Лабораторні, настільні, пілотні та повністю промислові ультразвукові апарати дозволяють обробляти будь-які об’єми.
Найвищі стандарти якості – Розроблено та виготовлено в Німеччині
Як сімейне підприємство, компанія Hielscher ставить на перше місце найвищі стандарти якості своїх ультразвукових процесорів. Усі ультразвукові прилади розробляються, виготовляються та ретельно випробовуються в нашій штаб-квартирі в Тельтові поблизу Берліна, Німеччина. Міцність та надійність ультразвукового обладнання Hielscher роблять його незамінним помічником у вашому виробництві. Цілодобова робота під повним навантаженням та у складних умовах є природною характеристикою високоефективних ультразвукових зондів та реакторів Hielscher.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Потужні ультразвукові гомогенізатори від Лабораторії до Пілот і індастріал розмір.
Факти, які варто знати
Що таке берлінська лазур?
Прусський синій хімічно правильно називають гексаціаноферратом заліза (Iron(II,III) гексаціаноферрат(II,III)), але в розмовній мові він також відомий як берлінський синій, фероцианид заліза, гексаціаноферат заліза, фероцианід заліза(III), гексаціаноферат заліза(II) і паризький синій.
Прусська блакить описується як пігмент глибокого синього кольору, який утворюється при окисленні солей фероцианида заліза. Він містить гексаціаноферат заліза(II) у кристалічній структурі кубічної решітки. Він не розчиняється у воді, але також має тенденцію утворювати колоїд, тому може існувати як у колоїдній, так і у водорозчинній формі, а також у нерозчинній формі. Його перорально призначають у клінічних цілях для використання як антидот при деяких видах отруєння важкими металами, такими як талій та радіоактивні ізотопи цезію.
Аналогами гексаціаноферрату заліза (прусський синій) є гексаціаноферрат міді, гексаціаноферрат кобальту, гексаціаноферрат цинку та гексаціаноферрат нікелю.
Що таке металоорганічні каркасні структури?
Металоорганічні каркаси (MOFs) — це клас сполук, що складаються з іонів металу або кластерів, координованих з органічними лігандами, які можуть утворювати одно-, дво- або тривимірні структури. Вони є підкласом координаційних полімерів. Координаційні полімери утворюються металами, які з'єднуються лігандами (так званими молекулами-лінкерами) таким чином, що утворюються повторювані координаційні мотиви. До їх основних особливостей можна віднести кристалічність і часто пористість.
Дізнайтеся більше про ультразвуковий синтез металоорганічних каркасних структур (MOF)!
Натрій-іонні акумулятори
Натрій-іонний акумулятор (NIB) є різновидом акумуляторної батареї. На відміну від літій-іонного акумулятора, натрієво-іонний акумулятор використовує іони натрію (Na+) замість літію як носії заряду. В іншому, склад, принцип функціонування та конструкція елементів широко ідентичні таким у поширених і широко використовуваних літій-іонних акумуляторів. Основна відмінність між цими обома типами акумуляторів полягає в тому, що в літій-іонних конденсаторах використовуються сполуки літію, тоді як у Na-іонних батареях застосовуються натрієві метали. Це означає, що катод натрій-іонного акумулятора містить натрієві або натрієві композити та анод (не обов'язково матеріал на основі натрію), а також рідкий електроліт, що містить дисоційовані солі натрію в полярних протичних або апротичних розчинниках. Під час заряджання Na+ витягується з катода і вставляється в анод, а електрони рухаються по зовнішньому ланцюгу; під час розряджання відбувається зворотний процес, коли Na+ витягуються з анода і знову вставляються в катод, а електрони, що рухаються по зовнішньому ланцюгу, виконуючи корисну роботу. В ідеалі матеріали анода та катода повинні витримувати повторювані цикли зберігання натрію без деградації, щоб забезпечити тривалий життєвий цикл.
Ультразвуковий синтез — це надійний та ефективний метод отримання високоякісних об’ємних солей металевого натрію, які можуть використовуватися для виробництва натрій-іонних конденсаторів. Синтез порошку натрію здійснюється шляхом ультразвукової дисперсії розплавленого металевого натрію в мінеральній олії.
Література / Список літератури
- 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.