Kết tủa ướt bằng siêu âm các khối nano xanh Phổ

Xanh Phổ hay hexacyanoferrat sắt là một khung cơ kim (MOF) có cấu trúc nano, được sử dụng trong sản xuất pin ion natri, y sinh học, mực in và điện tử. Tổng hợp hóa học ướt bằng siêu âm là một phương pháp hiệu quả, đáng tin cậy và nhanh chóng để tạo ra các khối nano xanh Phổ và các chất tương tự xanh Phổ như hexacyanoferrat đồng và hexacyanoferrat niken. Các hạt nano xanh Phổ được kết tủa bằng siêu âm có đặc trưng là phân bố kích thước hạt hẹp, tính đơn phân tán và tính năng cao.

Xanh Phổ và các chất tương tự hexacyanoferrat

Xanh Phổ hay các hexacyanoferrat sắt được sử dụng rộng rãi làm vật liệu chức năng để thiết kế các ứng dụng điện hóa và chế tạo cảm biến hóa học, màn hình điện sắc, mực in và lớp phủ, pin (pin ion natri), tụ điện và siêu tụ điện, vật liệu lưu trữ cation như H+ hoặc Cs+, chất xúc tác, tác nhân kết hợp chẩn đoán và điều trị cùng nhiều ứng dụng khác. Nhờ hoạt tính oxy hóa khử tốt và độ ổn định điện hóa cao, xanh Phổ là một cấu trúc khung cơ kim (MOF) được sử dụng rộng rãi để biến tính điện cực.
Bên cạnh nhiều ứng dụng khác, xanh Phổ và các chất tương tự của nó là hexacyanoferrat đồng và hexacyanoferrat niken được sử dụng làm mực có màu lần lượt là xanh lam, đỏ và vàng.
Một ưu điểm rất lớn của các hạt nano xanh Phổ là tính an toàn. Các hạt nano xanh Phổ có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn, tương thích sinh học và được FDA phê duyệt cho các ứng dụng y tế.

Tổng hợp các khối nano xanh Phổ bằng hóa siêu âm

Quá trình tổng hợp các hạt nano xanh Phổ / hexacyanoferrit là một phản ứng kết tủa hóa học ướt dị thể. Để thu được các hạt nano có phân bố kích thước hạt hẹp và tính đơn phân tán, cần có một phương pháp kết tủa đáng tin cậy. Kết tủa bằng siêu âm được biết đến rộng rãi nhờ khả năng tổng hợp đáng tin cậy, hiệu quả và đơn giản các hạt nano và chất màu chất lượng cao như magnetit, molybdat kẽm, phosphomolybdat kẽm, các loại hạt nano lõi–vỏ, v.v.

Các phương pháp tổng hợp hóa học ướt để tạo hạt nano xanh Phổ

Phương pháp tổng hợp hạt nano xanh Phổ bằng hóa siêu âm có tính hiệu quả, dễ thực hiện, nhanh chóng và thân thiện với môi trường. Kết tủa bằng siêu âm tạo ra các khối nano xanh Phổ chất lượng cao, có đặc trưng là kích thước nhỏ đồng đều (khoảng 5nm), phân bố kích thước hẹp và tính đơn phân tán.
Các hạt nano xanh Phổ có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp kết tủa khác nhau, có hoặc không có chất ổn định polyme.
Khi không sử dụng polyme ổn định, có thể kết tủa các khối nano xanh Phổ chỉ bằng cách trộn FeCl₃ và K₃[Fe(CN)₆] bằng siêu âm khi có mặt H₂O₂.
Việc sử dụng hóa siêu âm trong kiểu tổng hợp này đã giúp thu được các hạt nano nhỏ hơn (tức là có kích thước 5 nm thay vì kích thước ≈50 nm thu được khi không xử lý siêu âm). (Dacarro et al. 2018)

Các nghiên cứu điển hình về tổng hợp xanh Phổ bằng siêu âm

Nhìn chung, các hạt nano xanh Phổ được tổng hợp bằng phương pháp xử lý siêu âm.
Trong kỹ thuật này, dung dịch K₄[Fe(CN)₆] 0,05 M được thêm vào 100 ml dung dịch axit clohydric (0,1 mol/L). Dung dịch nước K₄[Fe(CN)₆] thu được được giữ ở 40ºC trong 5 h đồng thời được xử lý siêu âm, sau đó được để nguội ở nhiệt độ phòng. Sản phẩm màu xanh lam thu được được lọc và rửa nhiều lần bằng nước cất và etanol tuyệt đối, cuối cùng được sấy trong tủ sấy chân không ở 25ºC trong 12 h.

Chất tương tự hexacyanoferrit là hexacyanoferrit đồng (CuHCF) được tổng hợp theo phương pháp sau:
Các hạt nano CuHCF được tổng hợp theo phương trình sau:
Cu(NO₃)₃ + K₄[Fe(CN)₆] –> Cu₄[Fe(CN)₆] + KN0₃

Các hạt nano CuHCF được tổng hợp bằng phương pháp do Bioni et al., 2007 phát triển. Hỗn hợp gồm 10 mL dung dịch chứa 20 mmol L^-1 K₃[Fe(CN)₆] + 0,1 mol L^-1 KCl với 10 mL dung dịch chứa 20 mmol L^-1 CuCl₂ + 0,1 mol L^-1 KCl, trong bình xử lý siêu âm. Sau đó, hỗn hợp được chiếu siêu âm cường độ cao trong 60 min bằng đầu khuếch đại siêu âm bằng titan nhúng trực tiếp (20 kHz, 10Wcm^-1) được nhúng sâu 1 cm vào dung dịch. Trong quá trình trộn, quan sát thấy sự xuất hiện của chất kết tủa màu nâu nhạt. Hệ phân tán này được thẩm tích trong 3 ngày để thu được hệ phân tán màu nâu nhạt rất ổn định.
(xem Jassal và cộng sự, 2015)

Wu và cộng sự (2006) đã tổng hợp các hạt nano xanh Phổ bằng phương pháp hóa siêu âm từ K₄[Fe(CN)₆], trong đó Fe2+ được tạo ra do sự phân hủy của [FeII(CN)6]4− dưới tác động chiếu siêu âm trong axit clohydric; Fe²⁺ được oxy hóa thành Fe³⁺ để phản ứng với các ion [FeII(CN)₆]4− còn lại. Nhóm nghiên cứu kết luận rằng sự phân bố kích thước đồng đều của các khối nano xanh Phổ được tổng hợp là do tác động của siêu âm. Ảnh FE-SEM bên trái cho thấy các khối nano sắt hexacyanoferrat được nhóm nghiên cứu của Wu tổng hợp bằng phương pháp hóa siêu âm.

Tổng hợp quy mô lớn: để điều chế các hạt nano PB ở quy mô lớn, PVP (250 g) và K₃[Fe(CN)₆] (19,8 g) được thêm vào 2.000 mL dung dịch HCl (1 M). Dung dịch được xử lý siêu âm cho đến khi trong, sau đó được đặt trong tủ sấy ở 80°C để thực hiện phản ứng già hóa trong 20–24 giờ. Tiếp theo, hỗn hợp được ly tâm ở 20.000 rpm trong 2 giờ để thu các hạt nano PB. (Lưu ý an toàn: Để loại bỏ mọi HCN sinh ra, phản ứng nên được thực hiện trong tủ hút khí độc).

Tổng hợp xanh Phổ bằng phương pháp siêu âm điện hóa

Một kỹ thuật tổng hợp xanh Phổ khác có hiệu quả cao là phương pháp siêu âm điện hóa, kết hợp hiệp đồng quá trình lắng đọng điện hóa với siêu âm cường độ cao. Phương pháp này tăng cường truyền khối, đẩy nhanh động học tạo mầm và thúc đẩy sự hình thành đồng đều của các hạt nano thông qua quá trình trộn vi mô và hoạt hóa bề mặt do xâm thực gây ra. Nhờ đó, tổng hợp xanh Phổ bằng phương pháp siêu âm điện hóa trở thành một phương pháp đáng tin cậy để sản xuất xanh Phổ kích thước nano ở quy mô công nghiệp.
Đọc thêm về hệ thống siêu âm điện hóa để tổng hợp xanh Phổ!

Đầu dò siêu âm và thiết bị phản ứng hóa siêu âm để tổng hợp xanh Phổ

Hielscher Ultrasonics là nhà sản xuất có kinh nghiệm lâu năm về các thiết bị siêu âm hiệu năng cao được sử dụng trên toàn thế giới trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu và sản xuất công nghiệp. Quá trình tổng hợp và kết tủa các hạt nano và chất màu bằng phương pháp hóa siêu âm là một ứng dụng có yêu cầu khắt khe, đòi hỏi các đầu dò siêu âm công suất cao tạo ra biên độ không đổi. Tất cả các thiết bị siêu âm Hielscher đều được thiết kế và chế tạo để vận hành 24/7 ở mức đầy tải. Các thiết bị xử lý siêu âm có nhiều lựa chọn, từ đầu dò siêu âm nhỏ gọn 50 oát đến thiết bị phản ứng siêu âm trên đường ống công suất mạnh 16.000 oát. Nhiều loại đầu khuếch đại tăng cường, đầu công tác siêu âm và buồng dòng chảy cho phép thiết lập riêng hệ thống hóa siêu âm phù hợp với các tiền chất, phương pháp và sản phẩm cuối cùng.

Tổng hợp bằng phương pháp hóa siêu âm – Theo mẻ hoặc trên đường ống, phù hợp với nhu cầu của bạn

Các đầu dò siêu âm Hielscher có thể được sử dụng để xử lý siêu âm theo mẻ và liên tục trên đường ống. Tùy theo thể tích phản ứng và tốc độ phản ứng, chúng tôi sẽ đề xuất hệ thống siêu âm phù hợp nhất cho bạn. Các thiết bị siêu âm dùng trong phòng thí nghiệm, để bàn, quy mô thí điểm và quy mô công nghiệp hoàn chỉnh cho phép xử lý mọi thể tích.

Tiêu chuẩn chất lượng cao nhất – Được thiết kế và sản xuất tại Đức

Là doanh nghiệp do gia đình sở hữu và điều hành, Hielscher ưu tiên các tiêu chuẩn chất lượng cao nhất cho các thiết bị xử lý siêu âm của mình. Tất cả các thiết bị siêu âm đều được thiết kế, sản xuất và kiểm tra kỹ lưỡng tại trụ sở của chúng tôi ở Teltow gần Berlin, Đức. Độ bền và độ tin cậy của thiết bị siêu âm Hielscher giúp thiết bị trở thành công cụ làm việc bền bỉ trong hoạt động sản xuất của bạn. Vận hành 24/7 ở mức tải tối đa và trong môi trường khắc nghiệt là đặc tính vốn có của các đầu dò và thiết bị phản ứng siêu âm hiệu suất cao Hielscher.

Bảng dưới đây cung cấp thông tin tham khảo về năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi: