כימית סינתזת תגובה של nanosize מונוסודיום Titanate
Summary
The surfactant mediated sol-gel synthesis of nanosized monosodium titanate is described, along with preparation of the corresponding peroxide modified material. An ion-exchange reaction with Au(III) is also presented.
Abstract
מאמר זה מתאר את הסינתיזה-שינוי חמצן של titanate גלוטמט nanosize (nMST), יחד עם תגובת יון-חילופי לטעון את החומר עם Au יונים (III). שיטת הסינתזה נגזרה תהליך סול ג'ל המשמש לייצור titanate גלוטמט מיקרון בגודל (MST), עם כמה שינויים מרכזיים, ובם שינוי ריכוזים מגיבים, השמטת צעד זרע חלקיקים, החדרה פעילה שטח בלתי יוני כדי להקל את השליטה היווצרות וצמיחת חלקיקים. חומר nMST כתוצאת מפגין מורפולוגיה חלקיקים כדורית בצורה עם חלוקת monodisperse בקטרי חלקיקים נעו בין 100 ל 150 ננומטר. חומר nMST נמצא שטח פן Brunauer-אמט-טלר (BET) של 285 מ '2 g -1, וזה יותר ממה בסדר גודל גבוה יותר מאשר MST בגודל מיקרון. הנקודה איזואלקטרית של nMST נמדד 3.34 יחידות pH, שהיא יחידה pH נמוך מזה שנמדד עבור בגודל מיקרון MST. Tהוא nMST החומר נמצא לשמש מחליף יונים יעיל בתנאים חומצי חלש עבור הכנת nanotitanate Au (III) -exchange. בנוסף, היווצרות של peroxotitanate המקביל הודגם על ידי תגובה של nMST עם מי חמצן.
Introduction
Titanates תחמוצת טיטניום מתכת אלקלית נמצא בשימוש נרחב במגוון הרחב של יישומים כגון פיגמנטים של צבעים וחומרי טיפוח עור וכתוצאת photocatalysts בגיור וניצול אנרגיה. 1-3 titanates נתרן הוכח להיות חומרים יעילים להסרת מגוון של קטיונים על פני טווח רחב של מצבי pH באמצעות תגובות קטיוני. 4-7
בנוסף היישומים פשוט תאר, מיקרון בגודל titanates נתרן peroxotitanates נתרן לאחרונה הוכח גם לשמש פלטפורמת משלוח המתכת טיפולית. ביישום זה, יונים של מתכות טיפוליות כגון Au (III), Au (I), ו Pt (II) הם החליפו עבור יוני נתרן של titanate גלוטמט (MST). בדיקות במבחנה עם titanates מתכת-החליפו אצילי מצביעים דיכוי הצמיחה של תאים סרטניים או חיידקים ידי המנגנון ידוע. 8,9
מבחינה היסטורית, titanates נתרן יש להיותen מיוצר באמצעות טכניקות סינטטיות סול ג'ל הידרותרמיות הן וכתוצאה מכך אבקות בסדר עם גדלים של חלקיקים הנעים בין כמה לכמה מאה מיקרונים. 4,5,10,11 לאחרונה, שיטות סינטטיות דווחו שייצרה תחמוצת טיטניום nanosize, חלקי מתכת תחמוצות טיטניום מסוממים, וכן מגוון של titanates מתכת האחרת. דוגמאות כולל צינורות תחמוצת טיטניום נתרן (NaTONT) או nanowires מתגובה של תחמוצת טיטניום ב סודיום הידרוקסיד עודף בטמפרטורה ולחץ גבוהים, 12-14 nanofibers titanate נתרן מתגובה של חומצת peroxotitanic עם סודיום הידרוקסיד עודף בטמפרטורה ולחץ גבוהים, 15 ונתרן ו nanofibers titanate צזיום ידי delamination של titanates חומצה החליפו מיקרון בגודל. 16
הסינתזה של titanates נתרן nanosize ונתרן peroxotitanates הוא עניין לשפר קינטיקה חילוף יונים, אשר נשלטים בדרך כלל על ידי דיפוזיה הסרט או diffu intraparticleשיאון. מנגנונים אלה נשלטים במידה רבה על ידי גודל החלקיקים של מחליפי יונים. בנוסף, כפלטפורמת משלוח המתכת טיפולית, גודל חלקיקים של חומר titanate יהיה צפוי להשפיע על אופי משמעותי של האינטראקציה בין titanate-החליף מתכת סרטן תאים חיידקיים. לדוגמא, תאים חיידקיים, שהן בדרך כלל בסדר גודל של 0.5 – 2 מיקרומטר, עלולים להביא אינטראקציות שונות עם חלקיקים בגודל מיקרון לעומת חלקיקי nanosized. בנוסף, תאי איקריוטיים הלא phagocytic הוכחו להפנים חלקיקים רק עם גודל של פחות מ 1 מיקרון. 17 לפיכך, הסינתזה של titanates נתרן nanosize היא גם עניין להקל משלוח מתכת ספיגה הסלולר מפלטפורמת משלוח titanate. הקטנת נתרן titanates ו peroxotitanates יהיה גם להגדיל את הקיבולת היעילה פרדות מתכת יונים לשפר תכונות פוטו של חומר. 16,18 </ sup> מאמר זה מתאר פרוטוקול שפותח לסנתז titanate גלוטמט nanosize (nMST) בתנאים סול-ג'ל עדין 19 הכנת מי המקביל שונה nMST.; יחד עם תגובת יון-חילופי לטעון את nMST עם Au (III) מתוארים גם.
Protocol
Representative Results
Discussion
הנוכחות של מים זרים, למשל מ ריאגנטים טמאים, יכולה לשנות את התוצאה של התגובה, מה שמוביל חלקיקי polydisperse גדולים או יותר. לכן, יש לנקוט זהירות כדי להבטיח מגיבים יבשים משמשים. טיטניום isopropoxide ונתרן methoxide צריך להיות מאוחסן בתוך תא ייבוש כאשר אינו בשימוש. isopropanol הטוהר הגבוה צריך…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank the Laboratory Directed Research and Development program at the Savannah River National Laboratory (SRNL) for funding. We thank Dr. Fernando Fondeur for collection and interpretation of the FT-IR spectra and Dr. John Seaman of the Savannah River Ecology Laboratory for the use of the DLS instrument for particle size measurements. We also thank the Dr. Daniel Chan of the University of Washington and the National Institute of Health (Grant #1R01DE021373-01), for funding experiments investigating the ion exchange reactions with Au(III). The Savannah River National Laboratory is operated by Savannah River Nuclear Solutions, LLC for the Department of Energy under contract DE-AC09-08SR22470.
Materials
| Titanium(IV) isopropoxide | Sigma Aldrich | 377996 | 99.999% trace metals basis |
| Isopropyl alcholol, 99.9% | Sigma Aldrich | 650447 | HPLC grade (Chomasolv) |
| Sodium methoxide in methanol | Sigma Aldrich | 156256 | 25 wt% |
| Triton X-100 | Sigma Aldrich | T9284 | BioXtra |
| hydrogen tetrachloroaurate(III) trihydrate | Sigma Aldrich | G4022 | ACS reagent grade |
| hydrogen peroxide (30 wt%) | Fisher | H325 | Certified ACS |
| 10-mL syringes | Fisher | 14-823-16E | |
| Dual channel syringe pump | Cole Parmer | EW-74900-10 | Or equivalent programmable dual channel syringe pump |
| Tygon tubing 1/8 inch ID, 1/4 inch OD | Cole Parmer | EW-0640776 | |
| Tygon tubing 1/16 inch ID, 1/8 inch OD | Cole Parmer | EW-0740771 | |
| 0.1-µm Nylon filter | Fisher | R01SP04700 | |
| Labquake shaker rotisserie | Thermo Scientific | 4002110Q |
References
- O’Regan, B., Grätzel, M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature. 353, 737-740 (1991).
- Frank, A. J., Kopidakis, N., van de Lagemaat, J. Electrons in nanostructured TiO2 solar cells: transport, recombination and photovoltaic properties. Coord. Chem. Rev. 248 (13-14), 1165-1179 (2004).
- Mor, G. K., Varghese, O. K., Paulose, M., Shankar, K., Grimes, C. A. A review on highly ordered, vertically oriented TiO2 nanotube arrays: fabrication, material properties, and solar energy applications. Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 90 (14), 2011-2075 (2006).
- Dosch, R. G. . Use of titanates in decontamination of defense waste. Report RS-8232-2/50318. , (1978).
- Sylvester, P., Clearfield, A. The removal of strontium from simulated Hanford tank wastes containing complexants. Sep. Sci. Technol. 34 (13), 2539-2551 (1999).
- Manna, B., Dasgupta, M., Ghosh, U. C. Crystalline hydrous titanium(IV) oxide (CHTO): an arsenic(III) scavenger from natural water. J. Water Supply Res. T. 53, 483-495 (2004).
- Elvington, M. C., Click, D. R., Hobbs, D. T. Sorption behavior of monosodium titanate and amorphous peroxotitanate materials under weakly acidic conditions. Sep. Sci. Technol. 45 (1), 66-72 (2010).
- Wataha, J. C., et al. Titanates deliver metal ions to human monocytes. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 21 (4), 1289-1295 (2010).
- Chung, W. O., et al. Peroxotitanate- and monosodium metal-titanate compounds as inhibitors of bacterial growth. J. Biomed. Mater. Res., Part A. 97 (3), 348-354 (2011).
- Hobbs, D. T., et al. Strontium and actinide separations from high level nuclear waste solutions using monosodium titanate 1. Simulant testing. Sep. Sci. Technol. 40 (15), 3093-3111 (2005).
- Ramirez-Salgdo, J., Djrado, E., Fabry, P. Synthesis of sodium titanate composites by sol-gel method for use in gas potentiometric sensors. J. Eur. Ceram. Soc. 24 (8), 2477-2483 (2004).
- Yang, J., et al. Study on composition, structure and formation process of nanotube Na2Ti2O4(OH)2. Dalton Trans. 2003 (20), 3898-3901 (2003).
- Chen, W., Guo, X., Zhang, S., Jin, Z. TEM study on the formation mechanism of sodium titanate nanotubes. J. Nanopart. Res. 9 (6), 1173-1180 (2007).
- Meng, X., Wang, D., Liu, J., Zhang, S. Preparation and characterization of sodium titanate nanowires from brookite nanocrystallites. Mater. Res. Bull. 39 (14-15), 2163-2170 (2004).
- Yada, M., Goto, Y., Uota, M., Torikai, T., Watari, T. Layered sodium titanate nanofiber and microsphere synthesized from peroxotitanic acid solution. J. Eur. Ceram. Soc. 26 (4-5), 673-678 (2006).
- Stewart, T. A., Nyman, M., deBoer, M. P. Delaminated titanate and peroxotitanate photocatalysts. Appl. Catal. B. 105 (1-2), 69-76 (2011).
- Rejman, J., Oberle, V., Zuhorn, I. S., Hoekstra, D. Size-dependent internalization of particles via the pathways of clathrin- and caveolae-mediated endocytosis. Biochem. J. 377 (1), 159-169 (2004).
- Hobbs, D. T., Taylor-Pashow, K. M. L., Elvington, M. C. Formation of nanosized metal particles on a titanate carrier. US patent application. , (2015).
- Elvington, M. C., Tosten, M., Taylor-Pashow, K. M. L., Hobbs, D. T. Synthesis and characterization of nanosize sodium titanates. J. Nanopart. Res. 14, 1114 (2012).
- Duff, M. C., Hunter, D. B., Hobbs, D. T., Fink, S. D., Dai, Z., Bradley, J. P. Mechanisms of strontium and uranium removal from high-level radioactive waste simulant solutions by the sorbent monosodium titanate. Environ. Sci. Technol. 38 (19), 5201-5207 (2004).
- Puangpetch, T., Sreethawong, T., Chavadej, S. Hydrogen production over metal-loaded mesoporous-assembled SrTiO3 nanocrystal photocatalysts: effects of metal type and loading. Int. J. Hydrogen Energy. 35 (13), 6531-6540 (2010).
- Fan, X., et al. Facile method to synthesize mesoporous multimetal oxides (ATiO3, A = Sr, Ba) with large specific surface areas and crystalline pore walls. Chem. Mater. 22 (4), 1276-1278 (2010).
- Rossmanith, R., et al. Porous anatase nanoparticles with high specific area prepared by miniemulsion technique. Chem. Mater. 20 (18), 5768-5780 (2008).
- Wu, Y., Zhang, Y., Xu, J., Chen, M., Wu, L. One-step preparation of PS/TiO2 nanocomposite particles via miniemulsion polymerization. J. Colloid Interface Sci. 343 (1), 18-24 (2010).
- Jiang, C., Ichihara, M., Honmaa, I., Zhou, H. Effect of particle dispersion on high rate performance of nano-sized Li4Ti5O12 anode. Electrochim. Acta. 52 (23), 6470-6475 (2007).
- Bouras, P., Stathatos, E., Lianos, P. Pure versus metal-ion-doped nanocrystalline titania for photocatalysis. Appl. Catal. B. 73 (1-2), 51-59 (2007).
- Bonino, R., et al. Ti-Peroxo species in the TS-1/H2O2/H2O system. J. Phys. Chem. B. 108 (11), 3573-3583 (2004).
- Bordiga, S., et al. Resonance Raman effects in TS-1: the structure of Ti(IV) species and reactivity towards H2O, NH3 and H2O2: an in situ study. Phys. Chem. Chem. Phys. 2003 (5), 4390-4393 (2003).
- Vacque, V., Sombret, B., Huvenne, J. P., Legrand, P., Suc, S. Characterization of the O-O peroxide band by vibrational spectroscopy. Spectrochim. Acta Part A. 53 (1), 55-66 (1997).
