Síntese e funcionalização de nitrogênio dopado Copas de Nanotubos de Carbono com nanopartículas de ouro como Rolhas

Summary

Nós discutida a síntese de nanocups grafite individuais, usando uma série de técnicas que incluem a deposição de vapor químico, a oxidação do ácido e sonicação com sonda com ponta. Por redução de citrato de HAuCl₄, Os nanocups grafite foram efetivamente corked com nanopartículas de ouro devido às bordas quimicamente reativos dos copos.

Abstract

Os nanotubos de carbono dopados com nitrogênio consistem em muitos compartimentos de grafite em forma de taça denominadas como copos de nanotubos de carbono dopados com nitrogênio (NCNCs). Estes nanocups grafite como-sintetizados a partir de método de deposição química a vapor (CVD) estavam empilhados de forma head-to-tail realizada somente por meio de interações não covalentes. NCNCs individuais podem ser isoladas para fora da sua estrutura de empilhamento por meio de uma série de processos químicos e físicos de separação. Em primeiro lugar, como NCNCs sintetizados foram oxidados numa mistura de ácidos fortes para introduzir defeitos contendo oxigénio sobre as paredes de grafite. Os NCNCs oxidados foram processados ​​usando alta intensidade sonda ponta sonicação que efetivamente separou os NCNCs empilhados em nanocups grafite individuais. Devido ao seu oxigénio abundante e funcionalidades de superfície de azoto, os NCNCs individuais resultaram são altamente hidrofílico e podem ser eficazmente funcionalizado com nanopartículas de ouro (PNB), que, preferencialmente, se encaixam na aberturadas copas como rolhas de cortiça. Estes nanocups grafite rolha com PNB pode encontrar aplicações promissoras como recipientes em nanoescala e portadores de drogas.

Introduction

Com suas cavidades internas inerentes e química versátil superfície, os nanomateriais à base de carbono ocos, como os nanotubos de carbono (CNT), são considerados bons nanocarriers em aplicações de distribuição de drogas. ^1,2 Entretanto, a estrutura fibrilar de nanotubos de carbono como novo tem bastante inacessível oco interiores e pode causar uma resposta inflamatória grave e efeitos citotóxicos em sistemas biológicos. ^3,4 nanotubos de carbono dopados com nitrogênio, por outro lado, foram encontrados para possuir maior biocompatibilidade que não dopadas nanotubos de carbono multicamadas (MWCNTs) ^5,6 e podem ter melhor droga desempenho de entrega. Doping de átomos de nitrogênio nas nanotubos de treliças de grafite resulta em uma estrutura oca compartimentado semelhante copos empilhados que podem ser separadas para se obter copos de nanotubos de carbono dopados com nitrogênio individuais (NCNCs) com comprimento típico em 200 nm. ^7,8 Com seus interiores acessíveis e funcionalidades de nitrogênio que permitem mais químicafuncionalização, estes copos de grafite individuais são altamente vantajosos para aplicações de entrega de drogas.

Entre os diferentes métodos sintéticos para nitrogênio dopado com nanotubos de carbono, incluindo arco de descarga de ⁹ e dc pulverização catódica, ^{10 de} deposição de vapor químico (CVD) tem sido o método mais prevalente devido a várias vantagens, tais como maior rendimento e controle mais fácil sobre as condições de crescimento de nanotubos. O mecanismo de crescimento de vapor-líquido-sólido (VLS) é comumente empregado para entender o processo de crescimento CVD de nanotubos de carbono dopados com nitrogênio. ¹¹ Geralmente, existem dois esquemas diferentes de usar sementes de catalisador de metal no crescimento. No esquema "de leito fixo", as nanopartículas de ferro com tamanhos definidos foram sintetizados pela primeira vez por decomposição térmica de pentacarbonil de ferro e, em seguida, semeadas em lâminas de quartzo por spin coating para o crescimento CVD subseqüente. ¹² No esquema "flutuante catalisador", catalisador de ferro (normalmente ferrocene) foi misturado e injetado com carbono e nitrogen precursores, e a decomposição térmica de ferroceno fornecida geração in situ de nanoparticulas de ferro catalítico no qual o carbono e precursores de azoto foram depositados. Enquanto catalisador de leito fixo fornece um melhor controlo sobre o tamanho das NCNCs daí resultantes, o rendimento do produto é tipicamente baixa (<1 mg), em comparação com o regime de catalisador flutuante (> 5 mg), para a mesma quantidade de tempo e de crescimento precursor. Como o esquema de catalisador flutuante também presta serviços de distribuição de NCNCs tamanho bastante uniforme, foi adotada neste trabalho para a síntese CVD de NCNCs.

Método de CVD proporciona NCNCs como sintetizados que exibem uma morfologia fibrilar composta de diversos copos empilhados. Embora não haja nenhuma ligação química entre as caixas adjacentes, ⁸ desafios permanecem em isolamento eficaz dos copos individuais porque estão firmemente inserido dentro das cavidades do outro e realizada por várias interacções não covalentes e uma camada externa de carbono amorfo. ⁸ Attempts para separar os copos empilhados incluem tanto abordagens químicas e físicas. Enquanto os tratamentos de oxidação em uma mistura de ácidos fortes é um procedimento típico para cortar os nanotubos de carbono e introdução de funcionalidades de oxigénio, ^13,14 pode também ser aplicada para cortar NCNCs em secções mais curtas. Microondas processos de erosão de plasma foram também mostrado para separar os NCNCs. ¹⁵ Em comparação com os métodos químicos, a separação física é mais simples. Nosso estudo anterior mostrou que a simples moagem com um almofariz e pilão NCNCs individuais podem ser parcialmente isolada de sua estrutura empilhada. ⁷ Além disso, a alta intensidade de sonicação sonda de ponta, o que foi relatado para reduzir efetivamente os nanotubos de carbono de parede única (SWCNTs) , ^16, também foi demonstrado ter um efeito significativo na separação da NCNCs. ⁸ A sonicação com sonda com ponta proporciona potência de ultra-sons de alta intensidade à solução NCNC que, essencialmente "batidos" os copos empilhados e perturba o intera fracoCÇÕES que possuem os copos juntos. Enquanto outros métodos de separação em potencial ou são ineficientes ou destrutiva para a estrutura copo, sonda-ponta sonicação fornece um método de separação física altamente eficaz e custo-eficiente e menos destrutiva para obter copos de grafite individuais.

O sintetizado como fibrilas NCNCs foram tratados pela primeira vez no concentrado H ₂ SO ₄ / _HNO3 mistura ácida, antes da sua separação com sonicação com sonda com ponta. Os NCNCs separadas resultantes eram altamente hidrofílico e eficazmente dispersas em água. Temos anteriormente identificados funcionalidades de azoto tais como grupos amina e em NCNCs utilizaram a sua reactividade química, para NCNCs funcionalização. ^7,8,17 Comparado com o nosso método de empacotamento previamente relatado NCNCs com nanopartículas comerciais, ^8, neste trabalho, as nanopartículas de ouro (PNB) foram efectivamente ancoradas à superfície dos copos por redução de citrato de ácido cloroáurico. Devido aa distribuição preferencial de funcionalidades de nitrogênio no aberto jantes de NCNCs, as PNB sintetizados in situ a partir dos precursores de ouro tendem a ter uma melhor interação com as bordas abertas e PNB forma "rolhas" nas xícaras. Tal síntese e métodos de funcionalização resultaram em uma novela GNP-NCNC híbrido nanomateriais para aplicações potenciais como operadoras de distribuição de drogas.

Protocol

1. CVD Síntese de nitrogênio dopado Copas de Nanotubos de Carbono (NCNCs) NCNCs foram sintetizados utilizando a técnica de deposição de vapor químico (CVD) em substrato de quartzo utilizando precursores líquidos (Figura 1A). Coloque a 3 m de comprimento de tubo de quartzo (2,5 cm id), num tubo de forno Lindberg / azul que a câmara de reacção. Colocar uma placa de quartzo (1 "x 12") no interior do tubo à medida que o substrato para a recolha do…

Representative Results

Os NCNCs como-sintetizado a partir do crescimento CVD apareceu como um tapete de material preto em substrato de quartzo. Filmes espessos de NCNCs pesando cerca de vários mg foram obtidos por raspagem com uma lâmina de barbear (Figura 1B). Imagens TEM mostram a morfologia de NCNCs como sintetizados em diferentes ampliações (Figura 1). Na ampliação baixa (Figura 1C), como os NCNCs sintetizados mostraram todas uma estrutura de fibrila com comprimentos de tipicamente …

Discussion

O principal objetivo dos nossos experimentos era produzir efetivamente nanocups de grafite a partir de nanotubos de carbono dopados com nitrogênio. No entanto, o azoto-dopagem na síntese CVD não garante que a formação da estrutura em forma de taça empilhados. Dependendo da composição química do precursor e de outras condições de crescimento, a morfologia do produto resultou pode variar muito. ¹⁹ A concentração de fonte de azoto é o principal factor que influencia a estrutura, porque a estrutura …

Materials

Reagent Name	Company	Catalogue Number	Comment
			Reagents
H2	Valley National Gases	Grade 5.0
Ar	Valley National Gases	Grade 5.0
Ferrocene	Sigma-Aldrich	F408-500G
Xylenes	Fisher Scientific	X5-500
Acetonitrile	EMD	AXO149-6
H2SO4	Fisher Scientific	A300-500
HNO3	EMD	NX0409-2
DMF	Fisher Scientific	D119-500
Ethanol	Decon	2716
Phenol	Sigma-Aldrich	P1037-100G
Pyridine	EMD	PX2020-6
Hydridantin	Sigma-Aldrich	H2003-10G
Ninhydrin	Alfa Aesar	43846
HAuCl4	Sigma-Aldrich	52918-1G
Sodium Citrate	SAFC	W302600
			Equipment
CVD Furnace	Lindberg/Blue
TEM (low-resolution)	FEI Morgagni
TEM (high-resolution)	JOEL	2100F
Probe-tip Sonicator	Qsonica	XL-2000
UV-Vis Spectrometer	Perkin-Elmer	Lambda 900
Zeta Potential Analyzer	Brookheaven	ZetaPlus
EDX spectroscopy	Phillips	XL30 FEG