JoVE Logo
Authors
Contact Us

Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

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

1. توليف ملح التيتان نانو أحادية الصوديوم (nMST)

  1. إعداد 10 مل من محلول رقم 1 وذلك بإضافة 0.58 مل من 25٪ بالوزن حل ميثوكسيد الصوديوم إلى 7.62 مل من الأيسوبروبانول تليها 1.8 مل من isopropoxide التيتانيوم.
  2. إعداد 10 مل من محلول رقم 2 وذلك بإضافة 0.24 مل من الماء عالى النقاء إلى 9.76 مل من الأيزوبروبانول.
  3. إضافة 280 مل من الأيسوبروبانول إلى 3 الرقبة 500 مل دورق كروي، تليها 0.44 مل من تريتون X-100 (متوسط ​​ميغاواط: 625 جم / مول). تحريك الحل بشكل جيد مع شريط مغناطيسي.
  4. إعداد المزدوجة مضخة قناة حقنة لتقديم حلول رقم 1 ورقم 2 بمعدل 0.333 مل / دقيقة.
  5. حلول الحمل رقم 1 ورقم 2 إلى قسمين منفصلين الحقن 10 مل مزودة طول الأنابيب التي من شأنها أن تسمح للتسليم من الحل من ضخ حقنة إلى ما دون مستوى حل في الجولة 500 مل قارورة أسفل.
  6. مع التحريك، إضافة كافة الحلول رقم 1 ورقم 2 (10 مل لكل منهما) إلى رد فعل باستخدام ضخ حقنة المبرمجة في خطوة 1.4.
    7. <لى> بعد إضافة كاملة، وكأب القارورة ومواصلة يقلب لمدة 24 ساعة على RT.
  7. إرفع قبعة القارورة وتسخين خليط التفاعل إلى ~ 82 درجة مئوية (التكثيف الراجع الأيسوبروبانول) عن 45-90 دقيقة، تليها تطهير مع النيتروجين مع الحفاظ على التدفئة. كما تبخرت الأيسوبروبانول، إضافة الماء عالى النقاء بشكل متقطع لتحل محل الأيسوبروبانول تبخرت.
  8. بعد أكثر من الأيسوبروبانول تبخرت وحجم الماء المضاف هو ما يقرب من 50 مل، وإزالة الحرارة والسماح للخليط التفاعل لتبرد.
  9. جمع المنتج من خلال تصفية من خلال مرشح من النايلون ورقة 0.1 ميكرومتر، ويغسل عدة مرات بالماء لإزالة التوتر السطحي وأي الأيسوبروبانول المتبقية. لا تصفية للجفاف. بعد غسل كاملة، ونقل الطين من مرشح في زجاجة وزنه قبل أو قارورة، وتخزين باعتبارها الطين مائي.
  10. تحديد العائد من خلال تحديد المواد الصلبة الوزن في المئة من الطين. ويمكن القيام بذلك عن طريق قياس الوزن من قسامةالطين قبل وبعد التجفيف.

2. الاتحاد الافريقي (III) تبادل الأيونات

  1. نقل 6.50 غرام من 4.23٪ بالوزن الطين nMST إلى أنبوب الطرد المركزي 50 مل. قد تختلف هذه الكمية على أساس نسبة الوزن الفعلي من الطين nMST المنتجة في الخطوة 1.10 أعلاه، وتحديدها في الخطوة 1.11.
  2. تزن من 0.0659 غرام من HAuCl 4 · 3H 2 O في قارورة زجاجية 1 درهم. الهدف تي: الاتحاد الافريقي نسبة الكتلة هو 4: 1.
  3. حل HAuCl 4 · 3H 2 O في ~ 1 مل من الماء، ثم نقل إلى أنبوب الطرد المركزي التي تحتوي على nMST. شطف عدة مرات قنينة مع مياه إضافية لضمان كل من 3H HAuCl 4 · 2 O يتم نقلها إلى أنبوب الطرد المركزي التي تحتوي على nMST.
  4. تمييع تعليق مع مياه إضافية، حسب الاقتضاء، لتبرزي حجم الإجمالي إلى 11 مل. استهداف الاتحاد الافريقي (III) تركيز النهائي من حوالي 15 ملم.
  5. التفاف أنبوب الطرد المركزي في احباط للحفاظ على تعليق في الظلام، لد ثم تعثر تعليق على المشواة شاكر لمدة لا تقل عن 4 أيام.
  6. جمع المنتج من قبل الطرد المركزي في 3000 x ج لمدة 15 دقيقة لعزل المواد الصلبة. غسل المواد الصلبة ثلاث مرات بالماء المقطر عن طريق redispersing في الماء، وreisolate بواسطة الطرد المركزي في 3000 x ج لمدة 15 دقيقة لإزالة أي الاتحاد الافريقي unexchanged (III).
  7. تخزين المنتج النهائي سواء باعتبارها تعليق مائي من redispersing في الماء، أو كمادة صلبة رطبة عن طريق الصب قبالة مياه الغسيل النهائي والسد الأنبوب. تخزين المنتج في الظلام.

3. إعداد Peroxotitanate

  1. نقل 5 غرام من الطين 9.8٪ بالوزن من nMST إلى قارورة صغيرة.
  2. تزن من 0.154 غرام من 30٪ بالوزن H 2 O 2 حل. الهدف H 2 O 2: نسبة المولي TI 0.25: 1.
  3. مع التحريك تعليق nMST جيدا إضافة 0.154 غرام من H 2 O 2 حل قطرة من الحكمة. على H 2 O 2 بالإضافة إلى ذلك، تعليق مبادرة الخوذ البيضاءالمواد الصلبة الشركة المصرية للاتصالات يتحول على الفور الأصفر.
  4. بعد إضافة كاملة اثارة رد فعل عند درجة حرارة الغرفة لمدة 24 ساعة.
  5. جمع المنتج من خلال تصفية من خلال مرشح النايلون 0.1 ميكرومتر، ويغسل عدة مرات بالماء لإزالة أي H غير المتفاعل 2 O 2. لا تصفية للجفاف. بعد غسل كاملة، ونقل الطين من مرشح في زجاجة وزنه قبل أو قارورة، وتخزين باعتبارها الطين مائي.

النتائج

ويتم تصنيع MST باستخدام طريقة سول-جل الذي tetraisopropoxytitanium (IV) (TIPT) يتم الجمع، ميثوكسيد الصوديوم والمياه وردت في الأيزوبروبانول لتشكيل جزيئات البذور من MST. وبعد ذلك نمت 4 جزيئات ميكرون الحجم عن طريق إضافة للرقابة من إضافية كميات من الكواشف. ميزة الجسيمات الناتجة عن نوا...

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

NameCompanyCatalog NumberComments
Titanium(IV) isopropoxideSigma Aldrich37799699.999% trace metals basis
Isopropyl alcholol, 99.9%Sigma Aldrich650447HPLC grade (Chomasolv)
Sodium methoxide in methanolSigma Aldrich15625625 wt%
Triton X-100Sigma AldrichT9284BioXtra
hydrogen tetrachloroaurate(III) trihydrateSigma AldrichG4022ACS reagent grade
hydrogen peroxide (30 wt%)FisherH325Certified ACS
10-ml syringesFisher14-823-16E
Dual channel syringe pumpCole ParmerEW-74900-10Or equivalent programmable dual channel syringe pump
Tygon tubing 1/8 inch ID, 1/4 inch ODCole ParmerEW-0640776
Tygon tubing 1/16 inch ID, 1/8 inch ODCole ParmerEW-0740771
0.1-µm Nylon filterFisherR01SP04700
Labquake shaker rotisserieThermo Scientific4002110Q

References

  1. O'Regan, B., Grätzel, M. A low-cost, high-efficiency solar cell based on dye-sensitized colloidal TiO2 films. Nature. 353, 737-740 (1991).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Dosch, R. G. . Use of titanates in decontamination of defense waste. Report RS-8232-2/50318. , (1978).
  5. Sylvester, P., Clearfield, A. The removal of strontium from simulated Hanford tank wastes containing complexants. Sep. Sci. Technol. 34 (13), 2539-2551 (1999).
  6. 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).
  7. 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).
  8. Wataha, J. C., et al. Titanates deliver metal ions to human monocytes. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 21 (4), 1289-1295 (2010).
  9. 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).
  10. 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).
  11. 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).
  12. Yang, J., et al. Study on composition, structure and formation process of nanotube Na2Ti2O4(OH)2. Dalton Trans. 2003 (20), 3898-3901 (2003).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Stewart, T. A., Nyman, M., deBoer, M. P. Delaminated titanate and peroxotitanate photocatalysts. Appl. Catal. B. 105 (1-2), 69-76 (2011).
  17. 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).
  18. Hobbs, D. T., Taylor-Pashow, K. M. L., Elvington, M. C. Formation of nanosized metal particles on a titanate carrier. US patent application. , (2015).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Rossmanith, R., et al. Porous anatase nanoparticles with high specific area prepared by miniemulsion technique. Chem. Mater. 20 (18), 5768-5780 (2008).
  24. 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).
  25. 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).
  26. Bouras, P., Stathatos, E., Lianos, P. Pure versus metal-ion-doped nanocrystalline titania for photocatalysis. Appl. Catal. B. 73 (1-2), 51-59 (2007).
  27. Bonino, R., et al. Ti-Peroxo species in the TS-1/H2O2/H2O system. J. Phys. Chem. B. 108 (11), 3573-3583 (2004).
  28. 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).
  29. 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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

108

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved