Synteza i charakterystyka nanorurek glinokrzemianowych domieszkowanych żelazem o zwiększonych właściwościach przewodzenia elektronów
15 listopada 2016
Tutaj prezentujemy protokół syntezy i charakterystyki nanorurek glinokrzemianowych domieszkowanych żelazem. Materiały otrzymuje się w drodze syntezy zol-żel po dodaniu FeCl3•6H2O do mieszaniny zawierającej prekursory Si i Al lub w drodze wymiany jonowej po syntezie wstępnie uformowanych nanorurek glinokrzemianowych.
Ogólnym celem tej procedury jest synteza domieszkowanych żelazem nanorurek glinokrzemianowych typu imogolitu o określonych właściwościach teksturalnych i powierzchniowych oraz zmniejszonej przerwie energetycznej w stosunku do właściwego imogolitu. Metoda ta pozwala na otrzymanie nanorurek domieszkowanych żelazem o maksymalnej zawartości żelaza 1,4 procent wagowych, poprzez bezpośrednią syntezę lub ładowanie po syntezie. Główną zaletą dopingu posyntetycznego jest prostota procedury.
Ponieważ domieszkowanie zachodzi w wyniku wymiany jonowej aluminium na zewnętrznej powierzchni wstępnie uformowanych nanorurek. Ważną konsekwencją domieszkowania żelazem jest obniżenie pasma wzbronionego imogolitu z 4,9 do 2,8 do 2,4 elektronowoltów, co jest szczególnie istotne w zastosowaniach fotokatalitycznych i półprzewodnikowych. Powierzchnia żelaza z trzech stron tworzy kanały z anionowymi barwnikami azowymi, które można wykorzystać do badania oddziaływań elektrostatycznych i ligandowych na powierzchniach nanorurek.
Demonstracja tej metody ma kluczowe znaczenie, ponieważ tworzenie nanorurek jest ściśle uzależnione od zastosowania odpowiednich warunków syntezy. Aby rozpocząć syntezę nanorurek, w suchym środowisku umieść 187,7 mililitrów podwójnie destylowanej wody w dwulitrowej zlewce. Dodaj 1,3 mililitra 70% kwasu nadchlorowego, aby uzyskać 80-milimolowy roztwór i umieść mieszaninę na talerzu do mieszania.
Za pomocą pipety miarowej umieść osiem mililitrów butotlenku aluminium tri-sec w małej zlewce. Dodaj 3,8 mililitra ortokrzemianu tetraetylu za pomocą innej pipety z podziałką i delikatnie mieszaj, aż mieszanina będzie czysta i bezbarwna. Niewielki nadmiar TEOS, w stosunku do stosunku stechiometrii krzemu do aluminium, musi być użyty, aby zapobiec preferencyjnemu tworzeniu się innych faz.
Dodać mieszaninę ATSB TEOS, kroplami do roztworu kwasu nadchlorowego, mieszając. Kontynuuj mieszanie przez 18 godzin, aby uzyskać przezroczystą mieszaninę. Do mieszającej mieszaniny dodać 1,3 litra podwójnie destylowanej wody.
Kontynuuj mieszanie przez 20 minut. Rozcieńczoną mieszaninę umieścić w grubościennym reaktorze autoklawu z PTFE i podgrzewać w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez cztery dni w celu polimeryzacji mieszaniny. Rozcieńczenie mieszaniny reakcyjnej ma kluczowe znaczenie, ponieważ kondensacja kwasu ortokrzemowego utrudnia tworzenie się nanorurek.
Optymalna temperatura powinna wynosić od 95 do 100 stopni. Obniżenie temperatury powoduje powstawanie nanorurek, natomiast wzrost temperatury powoduje powstawanie zanieczyszczeń. Po podgrzaniu zbierz nanorurki w filtrze 0,02 mikrona.
Umyj nanorurki podwójnie destylowaną wodą i obserwuj przefiltrowane ciało stałe. Suszyć nanorurki w piekarniku w temperaturze 50 stopni Celsjusza przez jeden dzień, aby uzyskać nanorurki imogolite w postaci białego proszku. Aby rozpocząć ładowanie po syntezie, zdysperguj 0,25 grama nanorurek IMO w 15 mililitrach podwójnie destylowanej wody.
Dodaj 0,025 grama sześciowodnego chlorku żelaza i mieszaj mieszaninę przez 18 godzin. Następnie dodaj trzy mililitry wody i 1,5 mililitra wodorotlenku amonu do czerwonawo-brązowej mieszaniny, aby wytrącić formy oksowodorotlenku żelaza. Przefiltruj mieszaninę, przemyj ciała stałe podwójnie destylowaną wodą i susz w temperaturze 120 stopni Celsjusza przez 48 godzin, aby wyizolować nanorurki żelaza-L-IMO.
Aby rozpocząć syntezę nanorurek domieszkowanych żelazem, w suchym środowisku rozpuść 0,1 grama sześciowodnego chlorku żelaza w 190 mililitrach 80-milimolowego roztworu kwasu nadchlorowego w podwójnie destylowanej wodzie, mieszając. Przygotować mieszaninę ośmiu mililitrów ATSB i 3,8 mililitra TEOS za pomocą pipet miarowych. A następnie dodaj mieszaninę kroplami do roztworu żelaza, mieszając.
Sprawdź, czy pH mieszaniny wynosi cztery, a następnie mieszaj mieszaninę przez 18 godzin, aby uzyskać czerwono-brązową mieszaninę. Dodaj 1,3 litra podwójnie destylowanej wody do mieszaniny i mieszaj przez godzinę. Następnie wlej mieszaninę do reaktora autoklawu z PTFE
.Zamknij reaktor i podgrzewaj mieszaninę w piekarniku w temperaturze 100 stopni Celsjusza przez cztery dni. Zbierz ciała stałe, przemyj wodą podwójnie destylowaną i wysusz ciała stałe w temperaturze 50 stopni Celsjusza przez noc, aby wyizolować nanorurki żelaza 0,70 IMO. W kolbie miarowej przygotuj 200 mililitrów 0,67-milimolowego roztworu kwasowo-pomarańczowego roztworu w wodzie podwójnie destylowanej.
pH roztworu końcowego powinno wynosić 6,8. Napełnij kuwetę i uzyskaj transmisyjne widmo UV-VIS roztworu barwnika jako punkt wyjścia. Określić intensywność pasma 484 nanometrów odpowiadającego tautomerowi hydrazonu kwaśnej siódemki.
Dla każdej próbki umieść 50 mililitrów roztworu barwnika w 50 miligramach wyizolowanych nanorurek w ciemnej butelce i zacznij mieszać mieszaninę. Po pięciu minutach przygotuj probówkę i odwiruj pięć mililitrów mieszaniny w temperaturze 835 razy G przez trzy minuty. Zdekantować supernatant i określić intensywność pasma 484 nanometrów.
Pozostawić próbkę mieszającą przez trzy dni, odwirować i przeanalizować porcje próbki w ustalonych odstępach czasu. Monitoruj intensywność pasma 484 nanometrów, aby określić ilość barwnika zaadsorbowanego w nanorurkach w czasie. Spektroskopia UV-Vis z reflektorami dyfuzyjnymi wskazuje na izomorficzną substytucję żelaza trzy plus na oktaedryczny aluminiowy trzy plus we wszystkich NT domieszkowanych żelazem.
Ładowanie po syntezie sprzyja tworzeniu klastrów oksowodorotlenku żelaza, chociaż klastry są również widoczne w NT syntetyzowanych z wyższą zawartością żelaza. Zachowanie ładunku powierzchniowego NT domieszkowanych żelazem jest podobne do nieoczyszczonych NT IMO, jednak zdolność do usuwania barwnika anionowego z roztworu o pH 6,8 jest różna. Zachowanie plateauing w żelazie 1,4 i żelazie 0,7 NT przypisuje się tworzeniu adduktów barwnika żelaza.
Różnice w polu powierzchni i objętości wskazują, że obciążenie po syntezie wpływa przede wszystkim na zewnętrzną powierzchnię NT. Zakłada się zatem, że klastry oksowodorotlenków zajmują dużą część powierzchni żelaza-L NT. Ograniczenie powierzchni dostępnej dla masywnego barwnika.
Przerwa energetyczna zmniejsza się we wszystkich NT domieszkowanych żelazem. Uważa się, że klastry oksowodorotlenku żelaza zmniejszają przerwę energetyczną IMO, co jest zgodne z NT żelaza-L o najmniejszej przerwie energetycznej. Jednak przejście od d do d z gromad może utrudnić wyznaczenie przerwy energetycznej.
Podczas wykonywania tej procedury ważne jest, aby podczas pracy z ATSB używać środowiska wolnego od wilgoci. Dzięki zastosowaniu suchego środowiska możliwe jest zmierzenie prekursora krzemu i aluminium za pomocą pipety z podziałką, unikając hydrolizy ATSB. Zgodnie z tą procedurą, powiązane zachowanie innych związków może zostać zbadane, aby odpowiedzieć na dodatkowe pytania dotyczące ich aktywności nanorurek domieszkowanych żelazem, takie jak aktywność fotokatalityczna w stosunku do zanieczyszczeń organicznych w wodzie.
Opracowanie techniki ładowania po syntezie otwiera możliwość zbadania możliwości zastąpienia podobnych kationów aluminium na zewnętrznej powierzchni imogolitu poprzez prostą wymianę jonową. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś zrozumieć, jak syntetyzować i oceniać nanorurki domieszkowane żelazem z reaktywnym żelazem w trzech skoordynowanych miejscach na powierzchni.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejszy artykuł przedstawia protokół syntezy i charakterystyki nanorurek glinokrzemianowych domieszkowanych żelazem, konkretnie typu imogolitu. Syntezę można przeprowadzić za pomocą metod sol-gel lub poprzesyntezowej wymiany jonowej, co pozwala na kontrolowane domieszkowanie żelazem.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Inżynieria materiałowa
- Nanotechnologia
- Fotokataliza
Wstęp
- Domieszkowanie żelazem modyfikuje właściwości elektroniczne nanorurek imogolitu.
- Przerwa energetyczna imogolitu ulega znacznemu zmniejszeniu, co zwiększa jego przydatność.
- Domieszkowanie po syntezie upraszcza proces przygotowania.
- Oddziaływania elektrostatyczne i ligandowe można badać przy użyciu anionowych barwników azowych.
Cel badania
- Synteza domieszkowanych żelazem nanorurek glinokrzemianowych o określonych właściwościach.
- Zbadanie wpływu domieszkowania żelazem na przerwę energetyczną oraz charakterystykę powierzchniową.
- Umożliwienie zastosowań w fotokatalizie i technologii półprzewodnikowej.
Zastosowane metody
- Synteza sol-gel z dodatkiem FeCl3 • 6H2O.
- Post-syntezyczna wymiana jonowa wcześniej uformowanych nanorurek.
- Charakterystyka właściwości teksturalnych i powierzchniowych.
- Pomiar zmian przerwy energetycznej.
Główne wyniki
- Maksymalna osiągnięta zawartość żelaza wynosi 1,4% wagowo.
- Przerwa energetyczna została zredukowana z 4,9 eV do wartości aż 2,4 eV.
- Żelazo powierzchniowe tworzy kanały do badań nad oddziaływaniami.
- Metoda wykazuje prostotę i skuteczność w procesie domieszkowania.
Wnioski
- Domieszkowanie żelazem znacząco zmienia właściwości nanorurek imogolitowych.
- Metody postsyntezy zapewniają prosty sposób domieszkowania.
- Materiały te wykazują potencjał w zaawansowanych zastosowaniach w fotokatalizie.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Niniejszy protokół umożliwia syntezę domieszkowanych żelazem nanorurek glinokrzemianowych o regulowanych właściwościach elektronicznych, oferując podejście z zakresu nauki o materiałach w celu modulacji przerwy energetycznej oraz funkcjonalności powierzchni. Możliwość domieszkowania poprzez jonową wymianę po syntezie zapewnia skalowalną i powtarzalną metodę wytwarzania funkcjonalnych nanomateriałów o potencjalnym zastosowaniu w fotokatalitycznej degradacji zanieczyszczeń organicznych. Takie regulowalne nanomateriały wspierają wczesne etapy walidacji celów i opracowywania testów, zapewniając zdefiniowaną chemię powierzchni do badania oddziaływań ligandów oraz mechanizmów adsorpcji istotnych dla remediacji środowiska i projektowania czujników.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie mechanizmów wymiany ligandów pośredniczonej przez powierzchnię z wykorzystaniem anionowych barwników azowych jako sond molekularnych.
- Wartość operacyjna: Zapewnia zestandaryzowaną platformę nanorurek o określonej zawartości żelaza w celu prowadzenia spójnych badań oddziaływań powierzchniowych.
Przesiewanie i opracowanie testu
- Wartość naukowa: Ułatwia przygotowanie zwalidowanych układów biomimetycznych do oceny adsorpcji i oddziaływań elektrostatycznych.
- Wartość operacyjna: Wspiera standaryzację analizy poprzez powtarzalną syntezę oraz charakterystykę z wykorzystaniem UV-Vis, XRD i potencjału zeta.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Oferuje istotny w kontekście chorobowym system do badania interakcji między zanieczyszczeniami a nanorurkami w środowiskach wodnych.
- Wartość operacyjna: Umożliwia zachowanie ciągłości od syntezy materiału do oceny funkcjonalnej w symulowanych warunkach środowiskowych.
Integracja potoku i przepływu pracy
Metoda ta wpisuje się w kontinuum odkryć, zapewniając regulowaną platformę nanomateriałową, która umożliwia testowanie hipotez w zakresie chemii powierzchni i kinetyki oddziaływań, z wynikami możliwymi do zastosowania w identyfikacji wiodących rozwiązań w technologiach detekcji środowiskowej lub remediacji.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wypierania ligandów i chemii koordynacyjnej powierzchni na interfejsach nanorurek.
- Przesiewanie: Dostarcza nanomateriały gotowe do analizy z mierzalnymi wynikami adsorpcji do celów przesiewania porównawczego.
- Analityka: Generuje ilościowe odczyty UV-Vis przy 484 nm w celu pomiaru kinetyki adsorpcji barwnika i powinowactwa wiązania.
- Badania translacyjne: Łączy właściwości nanomateriałów z zachowaniem funkcjonalnym w modelach remediacji zanieczyszczeń.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia wielokrotnego użytku przepływ pracy syntezy i charakterystyki dla generowania nanorurek domieszkowanych żelazem w różnych projektach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Umożliwia mechanistyczne ograniczenie ryzyka w zakresie hipotez dotyczących oddziaływań powierzchniowych poprzez kontrolowane domieszkowanie żelazem i modulację przerwy energetycznej.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność i standaryzację dzięki zdefiniowanym protokołom syntezy oraz procedurom ładowania po syntezie.
- Wartość strategiczna: Usprawnia podejmowanie decyzji typu go/no-go przy wyborze nanomateriałów, zapewniając pewność prognostyczną w zakresie reaktywności powierzchniowej i struktury elektronowej.
- Wpływ na portfolio: Wspiera dostosowaną do ryzyka priorytetyzację nanomateriałów w oparciu o regulowane właściwości optoelektroniczne i adsorpcyjne.
Uwagi dotyczące wdrożenia
- Wymaga doświadczenia w chemii sol-gel oraz syntezie nanomateriałów w warunkach bezwodnych.
- Wymaga aparatury do pomiarów UV-Vis, XRD, HRTEM oraz potencjału zeta.
- Wymaga standaryzacji parametrów syntezy pomiędzy zespołami w celu zapewnienia powtarzalności między partiami.
- Wiąże się z koniecznością dostosowania protokołu podczas przenoszenia go na inne modelowe systemy zanieczyszczeń.
- Ograniczone progiem zawartości żelaza (~1,4 wt%), powyżej którego powstają wtórne klastry tlenków, co wpływa na dostępność powierzchni.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:05
Title
1:23
Synthesis of Imogolite Nanotubes (IMO NTs)
3:29
Post-synthesis Loading of IMO NTs with Fe (Fe-L-IMO)
4:15
Synthesis of IMO NTs Doped with 0.7 wt% Fe (Fe-0.70-IMO)
5:29
Transmission UV-Vis Spectroscopy of Dye Adsorption over Time
6:48
Results: The Effects of Fe Doping on IMO NTs
8:18
Conclusion
