ナノサイズ一ナトリウムチタン酸の合成と反応化学

界面活性剤を介したナノサイズのチタン酸モノナトリウムのゾルゲル合成と、対応する過酸化物修飾材料の調製について説明します。また、Au(III)とのイオン交換反応も示されています。

次の実験の全体的な目標は、過酸化物修飾材料と金(III)充填材料を含むナノサイズのチタン酸ナトリウム材料を調製することです。これは、最初に界面活性剤を介したゾルゲル合成を行い、100〜150ナノメートルの範囲のナノサイズのチタン酸ナトリウム粒子を調製することによって達成されます。第2のステップとして、ナノサイズのチタン酸ナトリウムを過酸化水素で処理し、材料の一部をペルオキソチタン酸の形態に変換することができます。

次に、イオン交換反応を行い、さまざまな用途に使える金属担持チタン酸塩を調製することができます。一例は、ナノチタン酸に塩化金(III)の溶液を添加して、対応する金(III)交換チタン酸を生成することです。電子顕微鏡イメージングと動的光散乱測定に基づいて、この方法を使用して100〜150ナノメートルの範囲の球状粒子を調製できることを示す結果が得られました。

この手法のアイデアを思いついたのは、粒子径が重要になる生物医学分野でのチタン酸塩の応用を検討し始めたときでした。この方法は、通常はゾルゲル法を使用して合成される材料に拡張できるため、さまざまな粒子サイズの材料を調製できます。ナノサイズの粒子であるチタン酸ナトリウムは、表面積と体積の比率が高いため、イオン交換性能を向上させる機会を提供します。

殺菌剤としての金属交換チタン酸塩の使用は、ナノサイズの材料で強化することができます。ナノチタン酸ナトリウム、またはnMSTの合成を開始するには、まず、0.58ミリリットルの25重量パーセントナトリウムメトキシド溶液を7.62ミリリットルのイソプロパノールに加え、続いて1.8ミリリットルのチタンイソプロポキシドを加えます。ソリューション番号 1 にラベルを付けます。

次に、0.24ミリリットルの超純水と9.76ミリリットルのイソプロパノールを加えて、溶液番号2を作ります。0.44ミリリットルのトリトンX-100を280ミリリットルのイソプロパノールを3ネックフラスコに加え、マグネチックスターラーでよく攪拌します。シリンジの端に十分な長さのチューブを取り付けて、フラスコ内の液体のレベルより下の溶液を送達し、溶液1と2を2つの別々のシリンジにロードします。

次に、シリンジをデュアルチャネルシリンジポンプに入れ、毎分0.333ミリリットルの速度で溶液をフラスコに送達します。加えた後、フラスコに蓋をし、室温で24時間攪拌を続けます。その後、フラスコのキャップを外し、混合物を加熱して45〜90分間還流させます。

フラスコを窒素でパージし、加熱が続けられるにつれて蒸発したイソプロパノールを置き換えるために超純水を少しずつ加えます。ほとんどのイソプロパノールが蒸発し、添加される水の量が約50ミリリットルに達した後、フラスコから熱を取り除き、混合物を冷まします。0.1ミクロンのナイロン濾紙で製品をろ過し、水で数回洗います。

最後に、フィルターからスラリーを事前に計量したボトルに移し、周囲温度で保管します。収率を決定するには、乾燥の前後に水性スラリーのアリコートを秤量します。金(III)イオンとの交換を行うには、まずnMSTの4.23重量パーセントスラリー6.50グラムを50ミリリットルの遠心分離管に移します。

次に、1ドラムのガラス瓶に入った0659グラムの水素テトラクロロ金(III)三水和物に約1ミリリットルの水を加えます。溶液を遠心分離管に移します。ガラスバイアルを水ですすぎ、チューブに加えます。

これを数回繰り返して、すべての金試薬が転写されたことを確認します。チューブに水を加えて、総容量を最大11ミリリットルにします。チューブをホイルで包み、シェーカーで最低4日間転がします。

混合物をタンブリングした後、チューブを15分間遠心分離します。上清を捨て、固形物を蒸留水に再懸濁します。サンプルを再度遠心分離し、洗浄手順をさらに2回繰り返します。

最後に、固形物を水に再懸濁し、室温で暗所に保管します。ペルオキソチタン酸を調製するには、まず9.8重量パーセントのnMSTスラリーを5グラムフラスコに加え、スラリーを磁気的に攪拌します。続いて、0.154グラムの30重量パーセントの過酸化水素溶液をフラスコに滴下し、白から黄色に色が変化します。

混合物を周囲温度で24時間攪拌し続けます。次に、0.1ミクロンのナイロン濾紙で製品をろ過し、水で数回生成して未反応の過酸化水素を除去します。最後に、フィルターからスラリーを事前に計量したボトルに移し、ペルオキソチタネートの水性スラリーを周囲温度で保存します。

ここに示されているのは、確立されたゾルゲル法を使用した動的光散乱によって測定された典型的な粒度分布です。この合成により、粒子のマルチモーダル分布が生成され、その大多数は約1マイクロメートルであることに注意してください。チタン酸ナトリウムの粒子径を小さくすることを目的とした反応条件、すなわち播種工程をなくし、より希薄な試薬を用いたところ、24時間後には50〜100ナノメートルと500ナノメートルを中心とした粒子径の二峰性分布が得られました。

48時間後、このグラフに示すように、最大1000ナノメートルの粒子の三峰性分布が観察されました。重要なことは、nMSTの合成中にTriton X-100を添加することは、動的光散乱によって測定されるほぼ均一な粒子径分布を生成するために重要であるということです。透過型電子顕微鏡および走査型電子顕微鏡により、Triton X-100はチタン酸ナトリウムの粒子と比較して、より均一なサイズと形態でnMST粒子を生成することが示されました。

過酸化水素によるnMST粒子の表面修飾は、フーリエ変換赤外スペクトルの883波数での吸収バンドの出現によって確認されました。この技術は、開発後、無機材料の生物学的応用分野の研究者が、ナノチタン酸塩を使用して治療用金属を送達し、金属交換チタン酸塩を使用して殺菌剤をサービスする方法を探求する道を開きました。このビデオを見れば、チタン酸ナトリウムのナノスケール粒子を、過酸化物修飾型および金属負荷型とともに調製する方法を十分に理解できるはずです。

可燃性の溶剤や試薬の取り扱いは非常に危険であることを忘れないでください。可燃性蒸気の蓄積を防ぐための予防策を講じる必要があります。ゾル-ゲル合成は化学ドラフト内で行うことをお勧めします。