Синтез и реакции химии наноразмерных Monosodium титаната
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
Эта статья описывает синтез и перекись модификацию наноразмерных мононатриевой титаната (nMST), наряду с реакцией ионообменной загрузить материал с ионами Au (III). Способ синтеза была получена из золь-гель процесса, используемого для получения микронных мононатрия титанат (MST), с несколькими основными модификациями, включая изменения концентраций реагентов, опуская стадию затравочных частиц, и введение неионное поверхностно-активное вещество, чтобы облегчить контроль формирование частиц и рост. Полученный материал обладает nMST сферическую-образный морфологию частиц с монодисперсных распределения диаметров частиц в диапазоне от 100 до 150 нм. Был найден материал nMST иметь Брунауэра-Эммета-Теллера (БЭТ) площадь поверхности 285 м 2 г -1, что более чем на порядок выше, чем микронного размера MST. Изоэлектрической точкой nMST измеряется 3,34 единиц рН, что является единицей рН меньше мощности, измеренной для микронного размера MST. Тон nMST был найден материал, чтобы служить в качестве эффективного ионообменника под слабокислых условий для приготовления Au (III) -обменная nanotitanate. Кроме того, формирование соответствующей peroxotitanate была продемонстрирована с помощью реакции nMST с перекисью водорода.
Introduction
Диоксид титана и щелочных металлов титанаты широко используются в различных областях применения, таких как пигменты в краске и ухода за кожей и в качестве фотокатализаторах в преобразовании и утилизации энергии. 1-3 титанаты натрия, как было показано, чтобы быть эффективными материалы, чтобы удалить спектр катионов в широком диапазоне условий рН через катионообменные реакций. 4-7
В дополнение к приложениям только что описанных, микронного размера титанаты натрия и peroxotitanates натриевые недавно было показано, также служат в качестве терапевтического средства доставки металла. В этом применении, терапевтические ионы металлов, такие как Au (III), Au (I), и Pt (II) обмениваются на ионы натрия мононатрия титаната (MST). В пробирке тесты с благородным металлом обмену титанатов указывают подавление рост рака и бактериальных клеток с помощью неизвестного механизма. 8,9
Исторически сложилось так, титанаты натриевых бытьан производится с использованием как золь-гель и синтетические гидротермальные методы, приводящие к тонкодисперсных порошков с размерами частиц в диапазоне от нескольких единиц до нескольких сотен микрон. 4,5,10,11 Совсем недавно, синтетические методы были сообщалось, что произведено наноразмерных диоксид титана, металл легированные оксиды титана, и множество других металлических титанатов. Примеры включают оксид титана нанотрубки натрия (NaTONT) или нанопроволоки от реакции диоксида титана в избытке гидроксида натрия при повышенной температуре и давлении, 12-14 натриевые титаната нановолокон от реакции peroxotitanic кислоты с избытком гидроксида натрия при повышенной температуре и давлении, 15 и натрия и цезий титанат нановолокна по расслоению кислых обмену микронного размера титанатов. 16
Синтез титанатов наноразмерных натрия и peroxotitanates натрия представляет интерес для повышения ионообменные кинетики, которые, как правило, контролируется диффузией пленки или внутричастичного diffuSion. Эти механизмы в основном контролируются размера частиц ионита. Кроме того, в качестве терапевтического средства доставки металла, размер частиц титаната материала можно было бы ожидать, чтобы существенно повлиять на характер взаимодействия между металлической обмену титаната и рака и бактериальных клеток. Например, бактериальные клетки, которые обычно порядка 0,5 – 2 мкм, скорее всего, имеют разные взаимодействия с частицами микронных размеров в сравнении наноразмерных частиц. Кроме того, не-фагоциты эукариотические клетки, как было показано только усваивают частицы с размером менее 1 мкм. 17 Таким образом, синтез наноразмерных титанатов натрия также представляет интерес для облегчения доставки металла и клеточное поглощение из платформы доставки титанат. Уменьшение размера титанатов натрия и peroxotitanates также увеличит эффективную мощность в ионных разделений металлов и повышения фотохимические свойства материала. 16,18 </ SUP> Этот документ описывает протокол, разработанный для синтеза наноразмерных мононатрия титанат (nMST) в мягких условиях золь-гель 19 подготовке соответствующего пероксида модифицированной nMST. наряду с реакцией ионообменной чтобы загрузить nMST с Au (III) также описаны.
Protocol
Representative Results
Discussion
Присутствие посторонней воды, например, от нечистых реагентов, может изменить результат реакции, что приводит к более крупных или более полидисперсных частиц. Поэтому следует соблюдать осторожность, чтобы обеспечить использование сухих реагентов. Изопропилат титана и метилат натри с…
Divulgations
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).
