Synthèse et Réaction Chimie des nanoparticules monosodique titanate

Résumé

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.

Résumé

Ce document décrit la synthèse et le peroxyde-modification de taille nanométrique monosodique titanate (MNST), avec une réaction d'échange d'ions pour charger le matériel avec ions Au (III). Le procédé de synthèse a été dérivée à partir d'un procédé sol-gel utilisée pour produire micronique monosodique titanate (MST), avec quelques modifications clés, y compris la modification des concentrations de réactifs, en omettant une étape d'ensemencement des particules, et l'introduction d'un agent tensio-actif non ionique pour faciliter le contrôle de la formation des particules et leur croissance. Le matériau résultant présente NMST morphologie des particules de forme sphérique présentant une distribution monodisperse de diamètres de particules dans la gamme de 100 à 150 nm. Le matériau MNST a été trouvé pour avoir une Brunauer-Emmett-Teller (BET) superficie de 285 m ² g ^{-1, ce qui} est plus d'un ordre de grandeur plus élevé que le micronique MST. Le point isoélectrique de la NMST mesurée 3,34 unité de pH, ce qui est une unité de pH inférieure à celle mesurée pour la taille du micron MST. Til a été constaté NMST matériau pour servir d'échangeur d'ions efficace dans des conditions faiblement acides pour la préparation d'une Au (III) -Echange NanoTitanate. En outre, la formation de la peroxotitanate correspondant a été démontrée par la réaction de l'NMST avec du peroxyde d'hydrogène.

Introduction

Dioxyde de titane et de métaux alcalins titanates sont largement utilisés dans une variété d'applications telles que des pigments dans la peinture et soins de la peau et comme photocatalyseurs dans la conversion d'énergie et l'utilisation. ^1-3 titanates de sodium se sont révélés être des matériaux efficaces pour éliminer une gamme de cations sur une large gamme de conditions de pH grâce à des réactions d'échange de cations. ^7/4

En plus des applications viennent d'être décrits, ont été récemment montré micronique titanates de sodium et peroxotitanates de sodium pour servir également en tant que plate-forme de distribution de métal thérapeutique. Dans cette application, les ions métalliques thérapeutiques tels que Au (III), Au (I) et Pt (II) sont échangés contre les ions sodium de monosodium titanate (MST). Les tests in vitro avec les titanates échangé des métaux nobles indiquent suppression de la croissance du cancer et les cellules bactériennes par un mécanisme inconnu. ^8,9

Historiquement, les titanates de sodium ont soiten utilisant à la fois produit sol-gel et des techniques de synthèse hydrothermale conduisant à des poudres fines ayant des tailles de particules allant de quelques dizaines à plusieurs centaines de microns. ^4,5,10,11 Plus récemment, des procédés de synthèse ont été rapportés qui a produit nanométrique dioxyde de titane, métal- les oxydes de titane dopé, et une variété d'autres titanates métalliques. Des exemples comprennent des nanotubes de sodium d'oxyde de titane (NaTONT) ou des nanofils par réaction de dioxyde de titane dans de l'hydroxyde de sodium en excès à température et pression élevées, le titanate ^14/12 sodium nanofibres par réaction de l'acide peroxotitanique avec de l'hydroxyde de sodium en excès à une température élevée et de pression, ¹⁵ et de sodium et le césium nanofibres par délaminage de titanates micrométriques acide échange titanate. ¹⁶

La synthèse des titanates de sodium et nanométriques peroxotitanates de sodium est intéressant pour améliorer la cinétique d'échange d'ions, qui sont habituellement contrôlés par diffusion du film ou diffu intraparticulairesion. Ces mécanismes sont principalement contrôlées par la taille des particules de l'échangeur d'ions. En outre, en tant que plate-forme de distribution de métal thérapeutique, serait prévu la taille des particules du matériau à base de titanate d'effet significatif sur la nature de l'interaction entre le titanate un échange de métal et le cancer et les cellules bactériennes. Par exemple, des cellules bactériennes, qui sont typiquement de l'ordre de 0,5 à 2 um, seraient susceptibles d'avoir des interactions avec différentes particules de la taille du micron par rapport aux particules de taille nanométrique. En outre, les cellules eucaryotes non-phagocytaires On a montré que seulement internaliser les particules ayant une taille inférieure à 1 micron. ¹⁷ Ainsi, la synthèse des titanates de sodium de nanoparticules est également intéressante pour faciliter la livraison de métal et l'absorption cellulaire de la plate-forme de livraison de titanate. Réduire la taille des titanates de sodium et peroxotitanates permettra également d'augmenter la capacité effective dans les séparations d'ions métalliques et améliorer les propriétés photochimiques de la matière. ^{16,18 <}/ sup> Ce document décrit un protocole développé pour synthétiser nanométriques monosodique titanate (MNST) dans des conditions de sol-gel doux ¹⁹ La préparation du peroxyde correspondant modifiée MNST. avec une réaction d'échange d'ions pour charger le NMST de Au (III) sont également décrits.

Protocole

1. Synthèse de nano-titanate monosodique (MNST)

1. Préparer 10 ml de la solution n ° 1 en ajoutant 0,58 ml de 25% en poids de solution de méthylate de sodium à 7,62 ml d'isopropanol suivie par 1,8 ml d'isopropoxyde de titane.
2. Préparer 10 ml de la solution n ° 2 en ajoutant 0,24 ml d'eau ultrapure à 9,76 ml d'isopropanol.
3. Ajouter 280 ml d'isopropanol dans un ballon à fond rond à 3 cols de 500 ml, suivi par 0,44 ml de Triton X-100 (poids moléculaire moyen: 625 g / mol). Bien agiter la solution avec une barre d'agitation magnétique.
4. Préparer une pompe à double canal de la seringue pour fournir des solutions n ° 1 et n ° 2 à un taux de 0,333 ml / min.
5. des solutions de charge N ° 1 et N ° 2 dans deux seringues de 10 ml distincts équipés d'une longueur de tube qui va permettre la distribution de la solution de la pompe à seringue jusqu'au-dessous du niveau de la solution dans le ballon à fond rond de 500 ml.
6. Tout en agitant, ajouter tous les solutions N ° 1 et n ° 2 (10 ml à chaque fois) à la réaction à l'aide du pousse-seringue programmé à l'étape 1.4.
7. Après l'addition est terminée, plafonner le ballon et continuer à agiter pendant 24 heures à température ambiante.
8. Décapsuler le ballon et on chauffe le mélange réactionnel à ~ 82 ° C (reflux de l'isopropanol) pour 45 à 90 min, suivi d'une purge avec de l'azote tout en maintenant le chauffage. Que l'isopropanol est évaporé, ajouter de l'eau ultra-pure par intermittence pour remplacer l'isopropanol évaporée.
9. Après que la plupart de l'isopropanol est évaporé, et le volume d'eau ajoutée est d'environ 50 ml, évacuer la chaleur et laisser le mélange réactionnel refroidir.
10. Recueillir le produit par filtration à travers un papier filtre en nylon de 0,1 um, et laver plusieurs fois à l'eau pour éliminer l'agent tensioactif et toute l'isopropanol résiduel. Ne pas filtrer à sec. Après le lavage est terminé, transférer la suspension du filtre dans une bouteille ou un flacon pré-pesé, et de stocker sous forme de suspension aqueuse.
11. Déterminer le rendement en déterminant le pourcentage en poids de matières solides de la suspension. Cela peut être fait en mesurant le poids d'une partie aliquote dela suspension avant et après séchage.

2. Au (III) d'échange d'ions

1. Transfert 6,50 g de 4,23% en poids de boue MNST à un tube centrifuge de 50 ml. Ce montant peut varier en fonction du pour cent en poids réel de la bouillie MNST produit à l'étape 1.10 ci-dessus, et déterminé à l'étape 1.11.
2. Peser 0,0659 g de HAuCl _{4 ·} 3H _{2 O} dans un flacon en verre de 1 dram. La cible Ti: Au rapport de masse est de 4: 1.
3. Dissoudre le HAuCl _{4 ·} 3H _{2 O} dans ~ 1 ml d'eau, puis les transférer sur le tube de centrifugeuse contenant le MNST. Rincer le flacon plusieurs fois avec de l'eau supplémentaire pour assurer la totalité de la HAuCl ₄ · 3H ₂ O est transférée sur le tube de centrifugeuse contenant le NMST.
4. Diluer la suspension avec de l'eau supplémentaire, si nécessaire, pour porter le volume total à 11 ml. Cibler une concentration finale de Au (III) d'environ 15 mM.
5. Envelopper le tube de centrifugeuse dans une feuille de maintenir la suspension dans l'obscurité, unD puis sèche la suspension sur une rôtisserie de shaker pour un minimum de 4 jours.
6. Recueillir le produit par centrifugation à 3000 xg pendant 15 min pour isoler les solides. Laver les solides trois fois avec de l'eau distillée par redispersion dans l'eau, et reisolate par centrifugation à 3000 xg pendant 15 min pour éliminer toute non échangée Au (III).
7. Stocker le produit final soit sous forme de suspension aqueuse par redispersion dans l'eau, ou comme un solide humide par décantation de l'eau de lavage final et bouchage du tube. Conserver le produit dans l'obscurité.

3. Préparation de la Peroxotitanate

1. Transférer 5 g d'une suspension de 9,8% en poids de NMST à un petit flacon.
2. Peser 0,154 g de 30% en poids de H _{2 O 2.} Le H _{2 O 2} cible rapport molaire Ti est de 0,25: 1.
3. Tout en agitant la suspension MNST bien ajouter le 0,154 g de H _{2 O 2} solution goutte à goutte. Lors de H ₂ O ₂ De plus, la suspension de WHIte solides se transforme immédiatement jaune.
4. Une fois l'addition terminée la réaction sous agitation à température ambiante pendant 24 h.
5. Recueillir le produit par filtration à travers un filtre en nylon de 0,1 um, et laver plusieurs fois avec de l'eau pour enlever toute H _{2 O 2} qui n'a pas réagi. Ne pas filtrer à sec. Après le lavage est terminé, transférer la suspension du filtre dans une bouteille ou un flacon pré-pesé, et de stocker sous forme de suspension aqueuse.

Résultats

MST est synthétisé en utilisant un procédé sol-gel dans lequel tétraisopropoxytitane (IV) (TIPT), le méthoxyde de sodium et de l'eau sont combinés et mis à réagir dans l'isopropanol pour former des particules germes de MST. ⁴ particules microniques sont ensuite cultivées par addition contrôlée d'supplémentaire les quantités de réactifs. Les particules résultantes sont dotées d'un coeur amorphe et une région extérieure fibreuse ayant des dimensions d'environ 10 nm de larg...

Discussion

La présence d'eau étrangère, par exemple à partir de réactifs impurs, peut modifier le résultat de la réaction, ce qui conduit à des particules polydispersées plus grandes ou plus. Par conséquent, des précautions doivent être prises pour assurer réactifs secs sont utilisés. L'isopropylate de titane et du méthylate de sodium doivent être conservés dans un dessiccateur lorsqu'ils ne sont pas en cours d'utilisation. Isopropanol haute pureté doit également être utilisé pour la synthèse....

matériels

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