Synthese und Reaktionschemie von nanoskaligen Mononatrium Titanat

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

Dieses Papier beschreibt die Synthese und Peroxid-Modifizierung von nanoskaligem Mononatrium Titanat (nMST), zusammen mit einer Ionenaustauschreaktion des Materials mit Au (III) -Ionen zu beladen. Das Syntheseverfahren wurde aus einem Sol-Gel-Verfahren abgeleiteten verwendet Mikrometergrße Mononatrium Titanat (MST), mit mehreren wichtigen Modifikationen erzeugen, einschließlich Reagenzkonzentrationen Verändern einer Partikel seed Schritt weggelassen, und ein nicht-ionisches Tensid Einführung Kontrolle zu erleichtern Partikelbildung und Wachstum. Das resultierende Material zeigt nMST kugelförmige Partikelmorphologie mit einer monodispersen Verteilung der Teilchendurchmesser in dem Bereich von 100 bis 150 nm. Die nMST Material gefunden wurde ^-1 eine Brunauer-Emmett-Teller (BET) -Oberfläche von 285 m ^{2 g} zu haben, die höher ist als die mikrometergroßen MST mehr als eine Größenordnung ist. Der isoelektrische Punkt des nMST gemessen 3,34 pH-Einheiten, die eine pH-Einheit niedriger als die für den Mikrometergröße MST gemessen wird. Ter nMST Material gefunden wurde, als eine wirksame Ionenaustauscher unter schwach zur Herstellung von Au (III) -Austausch nanotitanate sauren Bedingungen zu dienen. Zusätzlich wurde die Bildung des entsprechenden peroxotitanate durch Reaktion des nMST mit Wasserstoffperoxid nachgewiesen.

Einleitung

Titandioxid und Alkalimetalltitanaten sind in einer Vielzahl von Anwendungen wie beispielsweise Pigmente in Farben und Hautpflegemitteln und als Photokatalysatoren bei der Energieumwandlung und Nutzung weit verbreitet. ^1-3 Sodium Titanate haben sich als wirksam erwiesen Materialien eine Reihe von Kationen zu entfernen, über einen weiten Bereich von pH-Bedingungen durch Kationenaustausch-Reaktionen. ^4-7

Neben den Anwendungen gerade beschrieben, in Mikrometergröße Natriumtitanate und Natrium peroxotitanates haben gezeigt, auch als therapeutische Metall-Delivery-Plattform dienen vor kurzem. In dieser Anwendung therapeutischen Metallionen wie Au (III), Au (I) und Pt (II) für die Natriumionen von Mononatrium Titanat (MST). In vitro-Tests mit dem Edelmetall-ausgetauschten Titanate ausgetauscht zeigen Unterdrückung das Wachstum von Krebs und Bakterienzellen durch einen unbekannten Mechanismus. ^8,9

Historisch gesehen, Natriumtitanate haben seinen erzeugt sowohl Sol-Gel und hydrothermalen Syntheseverfahren unter Verwendung von in feine Pulver mit Partikelgrößen resultieren mehreren hundert Mikrometern von wenigen reichen. ^4,5,10,11 In jüngerer Zeit wurden synthetische Verfahren berichtet, dass nanoskaligem Titandioxid hergestellt, Metall- dotierten Titanoxiden, und eine Vielzahl von anderen Metall Titanate. Beispiele schließen Natrium Titanoxid-Nanoröhren (NaTONT) oder Nanodrähte durch Umsetzung von Titandioxid in überschüssigem Natriumhydroxid bei erhöhter Temperatur und Druck, ^12-14 Natriumtitanat Nanofasern durch Umsetzung von Peroxotitansäure mit überschüssigem Natriumhydroxid bei erhöhter Temperatur und ^{Druck, 15 und} Natrium und Cäsium-Titanat-Nanofasern durch Delamination von säure ausgetauscht mikrometergroßen Titanate. ¹⁶

Die Synthese von nanoskaligen Natriumtitanate und Natrium peroxotitanates ist von Interesse, Ionenaustausch-Kinetik zu verbessern, die in der Regel von Film Diffusion oder Intrapartikel DIFFU gesteuert werdension. Diese Mechanismen werden weitgehend durch die Teilchengrße des Ionenaustauscher gesteuert. Zusätzlich als ein therapeutisches Metall Abgabeplattform, würde die Teilchengröße des Titanat-Material erwartet werden, signifikant die Natur der Wechselwirkung zwischen dem Metall-ausgetauschten Titanat und dem Krebs und Bakterienzellen zu beeinflussen. Beispielsweise Bakterienzellen, die typischerweise in der Größenordnung von 0,5 liegen - 2 um, müsste wahrscheinlich verschiedene Interaktionen mit mikrometergroßen Teilchen gegenüber Teilchen in Nanogröße. Zusätzlich wurden nicht-phagozytische eukaryotischen Zellen nur gezeigt, um Partikel internalisieren mit einer Größe von weniger als 1 Mikron. ¹⁷ Somit ist die Synthese von nanoskaligen Natrium Titanate auch von Interesse Metallabgabedüse und zelluläre Aufnahme vom Titanat Abgabeplattform zu erleichtern. Reduzieren der Größe von Natrium und Titanate peroxotitanates wird auch die effektive Kapazität in Metallion Trennungen erhöhen und photochemischen Eigenschaften des Materials zu verbessern. ^{16,18 <}/ sup> Dieses Papier beschreibt ein Protokoll zur Synthese von nanoskaligen Mononatrium Titanat (nMST) unter milden Sol-Gel-Bedingungen ¹⁹ Die Herstellung des entsprechenden Peroxid modifiziert nMST entwickelt. zusammen mit einer Ionenaustauschreaktion werden die nMST mit Au (III) zu laden ebenfalls beschrieben.

Protokoll

1. Synthese von Nano-Mononatrium-Titanat (nMST)

1. Herstellung von 10 ml der Lösung 1 durch Zugabe von 0,58 ml 25 Gewichts-% Natriummethylat-Lösung zu 7,62 ml Isopropanol gefolgt von 1,8 ml Titanisopropoxid.
2. Herstellung von 10 ml der Lösung # 2 von 0,24 ml ultrareinem Wasser zu 9,76 ml Isopropanol hinzugefügt wird.
3. Hinzufügen von 280 ml Isopropanol in einen 3-Hals-500 ml-Rundkolben, gefolgt von 0,44 ml von Triton X-100 (durchschnittliches MW: 625 g / mol). Rühren Sie die Lösung gut mit einem magnetischen Rührstab.
4. Bereiten Sie einen Dual-Channel-Spritzenpumpe zu liefern Lösungen # 1 und # 2 mit einer Rate von 0,333 ml / min.
5. Last Lösungen # 1 und # 2 in zwei getrennte 10-ml-Spritzen mit einer Länge von Schlauch ausgestattet, die Lieferung der Lösung aus der Spritzenpumpe unter die Lösung Niveau in der 500-ml-Rundkolben ermöglichen.
6. Unter Rühren hinzu alle Lösungen # 1 und # 2 (je 10 ml) zur Reaktions die Spritzenpumpe in Schritt 1.4 programmiert werden.
7. Nachdem die Zugabe beendet ist, die Kappe des Kolbens und weiter für 24 Stunden bei Raumtemperatur rühren.
8. Die Kappe des Kolbens und erhitzt das Reaktionsgemisch auf ~ 82 ° C (Rückfluß Isopropanol) für 45-90 min, gefolgt von Spülen mit Stickstoff unter Erhitzen erhalten. Als Isopropanol verdunstet ist, fügen intermittierend Reinstwasser das verdampfte Isopropanol zu ersetzen.
9. Nachdem das meiste des Isopropanol verdampft ist und das Volumen von Wasser gegeben ist ungefähr 50 ml, entfernen die Hitze und abkühlen lassen der Reaktionsmischung.
10. Sammeln Sie das Produkt durch Filtrieren durch ein 0,1-um-Nylonfilterpapier und wäscht mehrmals mit Wasser, das Tensid und restliche Isopropanol zu entfernen. Nicht bis zur Trockenheit filtern. Nach dem Waschen beendet ist, übertragen die Aufschlämmung aus dem Filter in einen vorgewogenen Flaschen oder Fläschchen, und speichern als eine wässrige Aufschlämmung.
11. Bestimmen Sie die Ausbeute durch die Gewichtsprozent Feststoffe aus dem Schlamm zu bestimmen. Dies kann durch Messen des Gewichts eines aliquoten Teils durchgeführt werdender Schlamm vor und nach dem Trocknen.

2. Au (III) Ion Exchange

1. Übertragen 6,50 g von 4,23 Gew% nMST Aufschlämmung auf eine 50-ml-Zentrifugenröhrchen. Diese Menge kann auf dem tatsächlichen Gewichtsprozent des nMST Aufschlämmung in Stufe 1.10 vorstehend hergestellten variieren, und in Schritt 1.11 bestimmt.
2. Abwiegen 0,0659 g HAuCl ₄ · 3H _{2 O} in einen 1-Dram Glasfläschchen. Die Ziel Ti: Au Massenverhältnis 4: 1.
3. Man löst das HAuCl ₄ · 3H _{2 O} in ~ 1 ml Wasser, dann Transfer zum Zentrifugenröhrchen die nMST enthält. Spülen Sie die Fläschchen mehrmals mit zusätzlichem Wasser zu allen von der 3H HAuCl ₄ · gewährleisten _{2 O} auf die Zentrifugenröhrchen überführt wird, um die nMST enthält.
4. Verdünnen der Suspension mit zusätzlichem Wasser, soweit erforderlich, um das Gesamtvolumen auf 11 ml zu bringen. Ziel eine abschließende Au (III) Konzentration von etwa 15 mM.
5. Wickeln Sie das Zentrifugenröhrchen in Folie der Suspension im Dunkeln zu halten, ist eind dann für mindestens 4 Tage, um die Suspension auf einem Schüttler Rotisserie fallen.
6. Sammeln Sie das Produkt bei 3.000 × g durch Zentrifugation für 15 Minuten um die Feststoffe zu isolieren. Wasche die Feststoffe dreimal mit destilliertem Wasser durch Redispergieren in Wasser, und durch Reisolat bei 3.000 xg für 15 min zentrifugiert jede nicht ausgetauschten Au (III) zu entfernen.
7. Lagern Sie das Endprodukt entweder als wässrige Suspension in Wasser redispergiert oder als feuchte Feststoff durch Dekantieren des letzten Waschwasser und Verschließen des Rohrs ab. Lagern Sie das Produkt in der Dunkelheit.

3. Herstellung der Peroxotitanate

1. Übertragen werden 5 g einer 9,8 Gew% igen Aufschlämmung von nMST zu einem kleinen Kolben.
2. Man wiegt 0,154 g 30 Gew% _{H 2 O 2} Lösung. Die Ziel H _{2 O 2:} Ti-Molverhältnis 0,25: 1.
3. Unter Rühren hinzufügen, die nMST Suspension auch die 0,154 g H _{2 O 2 -Lösung} tropfenweise. Auf H _{2 O 2 -Zugabe,} die Aussetzung der WHIte Feststoffe dreht sich sofort gelb.
4. Nachdem die Zugabe abgeschlossen ist Rühre das Reaktionsgemisch bei Umgebungstemperatur für 24 Std.
5. Sammeln des Produkts durch Filtrieren durch einen 0,1-um-Nylonfilter und wäscht mehrmals mit Wasser nicht umgesetztes H _{2 O 2} zu entfernen. Nicht bis zur Trockenheit filtern. Nach dem Waschen beendet ist, übertragen die Aufschlämmung aus dem Filter in einen vorgewogenen Flaschen oder Fläschchen, und speichern als eine wässrige Aufschlämmung.

Ergebnisse

MST synthetisiert wird ein Sol-Gel-Verfahren verwendet, bei dem Tetraisopropoxytitan (IV) (TIPT), Natriummethoxid und Wasser kombiniert und umgesetzt in Isopropanol Keimteilchen von MST zu bilden. ⁴ Micron großen Teilchen werden dann durch kontrollierte Zugabe von zusätzlichen gewachsen Mengen der Reagenzien. Die resultierenden Teilchen sind mit einem amorphen Kern und eine äußere Faserbereich Abmessungen von etwa 10 nm breiten Länge von 50 nm. ²⁰

1A zeigt ...

Diskussion

Das Vorhandensein von Fremdwasser, beispielsweise von unreinen Reagenzien, kann das Ergebnis der Reaktion verändern, was zu einer größeren oder polydisperse Teilchen. Daher sollte darauf Trockenreaktanten verwendet werden geachtet werden. Das Titanisopropoxid und Natriummethoxid sollten bei Nichtgebrauch in einem Exsikkator gelagert werden. Hochreines Isopropanol sollte auch für die Synthese eingesetzt werden.

Die Temperatur wurde gefunden aus einem Gel eine Schlüsselrolle bei der Umwan...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
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