التوليف وتفاعل كيمياء Nanosize أحادية الصوديوم ملح التيتان
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
وتصف هذه الورقة التوليف وبيروكسيد تعديل تيتانات nanosize أحادية الصوديوم (nMST)، جنبا إلى جنب مع رد فعل التبادل الأيوني لتحميل المادة مع الاتحاد الافريقي (III) الأيونات. وقد اشتق طريقة التوليف من عملية سول-جل المستخدمة لإنتاج ميكرون الحجم أحادية الصوديوم تيتانات (MST)، مع العديد من التعديلات الأساسية، بما في ذلك تغيير تركيزات كاشف، وحذف خطوة البذور الجسيمات، وإدخال السطحي غير الأيونية لتسهيل السيطرة على تشكيل الجسيمات والنمو. المواد nMST الناتجة المعارض على شكل كروي، مورفولوجيا الجسيمات مع توزيع monodisperse من أقطار الجسيمات في نطاق 100-150 نانومتر. تم العثور على مادة nMST لديك مساحة بروناور-ايميت-تيلر (BET) من 285 م 2 ز -1، التي هي أكثر من أمر من حجم أعلى من MST-ميكرون الحجم. نقطة تساوي الكهربية من nMST قياس 3.34 درجة الحموضة وحدات، وهي أقل وحدة درجة الحموضة من أن قياس لميكرون حجم MST. تانه nMST تم العثور على مادة ليكون بمثابة مبادل أيون فعال في ظل ظروف حمضية ضعيفة لإعداد الاتحاد الافريقي (III) nanotitanate -تبادل. وبالإضافة إلى ذلك، وقد تجلى تشكيل peroxotitanate المقابلة من رد فعل nMST مع بيروكسيد الهيدروجين.
Introduction
تستخدم titanates ثاني أكسيد التيتانيوم والفلزات القلوية على نطاق واسع في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل أصباغ في الطلاء ومنتجات العناية بالبشرة وكما photocatalysts في تحويل الطاقة والاستفادة منها. وقد ثبت 1-3 titanates الصوديوم لتكون مواد فعالة لإزالة مجموعة من الكاتيونات أكثر من مجموعة واسعة من ظروف الأس الهيدروجيني من خلال ردود الفعل تبادل الأيونات الموجبة. 4-7
بالإضافة إلى تطبيقات وصفه للتو، وقد ثبت ميكرون الحجم titanates الصوديوم وperoxotitanates الصوديوم مؤخرا أيضا بمثابة منصة تسليم المعدنية العلاجية. في هذا التطبيق، يتم تبادل الأيونات المعدنية العلاجية مثل الاتحاد الافريقي (III) والاتحاد الافريقي (I)، وحزب العمال (الثاني) لأيونات الصوديوم من تيتانات أحادية الصوديوم (MST). في المختبر اختبارات مع titanates-تبادل المعادن النبيلة تشير قمع نمو السرطان والخلايا البكتيرية عن طريق آلية غير معروفة. 8،9
تاريخيا، وقد يكون titanates الصوديومأون المنتجة باستخدام كل من سول-جل والتقنيات الاصطناعية الحرارية المائية مما أدى إلى المساحيق الناعمة مع أحجام الجسيمات التي تتراوح بين بضع مئات من ميكرون. 4،5،10،11 وفي الآونة الأخيرة، تم الإبلاغ عن الأساليب الاصطناعية التي تنتج ثاني أكسيد التيتانيوم nanosize، metal- أكاسيد التيتانيوم مخدر، ومجموعة متنوعة من titanates المعدنية الأخرى. ومن الأمثلة الصوديوم الأنابيب النانوية أكسيد التيتانيوم (NaTONT) أو أسلاك عن طريق تفاعل ثاني أكسيد التيتانيوم في هيدروكسيد الصوديوم الزائد في درجة حرارة مرتفعة وضغط، 12-14 الصوديوم ألياف النانو تيتانات عن طريق تفاعل حمض peroxotitanic مع هيدروكسيد الصوديوم الزائد في درجة حرارة مرتفعة وضغط و 15 و الصوديوم والسيزيوم ألياف النانو التي كتبها التبطين من titanates ميكرون الحجم حمض تبادل تيتانات 16
تركيب titanates nanosize الصوديوم وperoxotitanates الصوديوم هو من مصلحة تعزيز حركية التبادل الأيوني، والتي تسيطر عادة عن طريق نشر الفيلم أو diffu intraparticleسيون. يتم التحكم في هذه الآليات إلى حد كبير من حجم الجسيمات من مبادل أيون. وبالإضافة إلى ذلك، كمنصة تسليم المعدنية العلاجية، من المتوقع أن تؤثر تأثيرا كبيرا على طبيعة التفاعل بين تيتانات-تبادل المعادن والسرطان والخلايا البكتيرية حجم الجسيمات من المواد تيتانات. على سبيل المثال، الخلايا البكتيرية، التي عادة ما تكون في حدود 0.5 – من شأنه أن 2 ميكرون، من المحتمل أن يكون التفاعلات المختلفة مع حجم الجسيمات ميكرون مقابل الجسيمات nanosized. وبالإضافة إلى ذلك، وقد ثبت أن الخلايا حقيقية النواة غير أكلة لاستيعاب جزيئات فقط بحجم أقل من 1 ميكرون. 17 وهكذا، تركيب titanates الصوديوم nanosize هو أيضا من مصلحة لتسهيل تسليم المعادن وامتصاص الخلوية من منصة تسليم تيتانات. سوف يقلل من حجم titanates الصوديوم وperoxotitanates يزيد أيضا من قدرة فعالة في فصل أيونات المعادن وتعزيز الخصائص الضوئية للمادة. 16،18 </ سوب> توضح هذه الورقة بروتوكول المتقدمة لتجميع nanosize أحادية الصوديوم تيتانات (nMST) في ظل الظروف سول-جل خفيفة 19 إعداد بيروكسيد المقابلة تعديل nMST؛ جنبا إلى جنب مع رد فعل التبادل الأيوني لتحميل nMST مع الاتحاد الافريقي (III) موصوفة أيضا.
Protocol
Representative Results
Discussion
وجود الماء غريبة، على سبيل المثال من الكواشف نجس، يمكن أن يغير نتيجة رد الفعل، مما يؤدي إلى جزيئات أكبر أو أكثر polydisperse. ولذلك، ينبغي توخي الحذر لضمان استخدام الكواشف الجافة. يجب أن يتم تخزين isopropoxide التيتانيوم وميثوكسيد الصوديوم في مجفف عندما لا تكون قيد الاستعمال. وي…
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).
