Титанатный нанолист
Нанолисты титаната (IV) (TiNS) имеют двумерную структуру, в которой TiO 6 октаэдры соединены краями в лепидокрокита . двумерную решетку типа [ 1 ] с химической формулой H x Ti 2 — x/4 ☐ x/4 O 4 ⦁ H 2 O (x~0,7; ☐, вакансия). [ 2 ] Нанолисты титаната можно рассматривать как листы с молекулярной толщиной и бесконечными плоскими размерами. TiNS обычно образуются путем жидкофазного отшелушивания протонного титаната. В неорганических слоистых материалах отдельные слои связаны друг с другом ван-дер-ваальсовыми взаимодействиями, если они нейтральны, и дополнительными кулоновскими взаимодействиями, если они состоят из противоположно заряженных слоев. Посредством жидкофазного отшелушивания эти отдельные листы слоистых материалов можно эффективно разделить с помощью соответствующего растворителя, создавая однослойные коллоидные суспензии. [ 3 ] Растворители должны иметь энергию взаимодействия со слоями, превышающую энергию взаимодействия между двумя слоями. [ 3 ] in situ Данные рентгеновской дифракции показывают, что TiNS можно рассматривать как макромолекулы с достаточным количеством растворителя между слоями, чтобы они вели себя как отдельные листы. [ 2 ]
Характеристики
[ редактировать ]Одноламеллярные TiNS обладают рядом уникальных свойств и, как говорят, сочетают в себе свойства обычного титаната и диоксида титана. Структурно они представляют собой бесконечные сверхтонкие (~0,75 нм) 2D-листы с высокой плотностью отрицательных поверхностных зарядов, происходящих от атомов кислорода в углах присоединенных октаэдров. [ 4 ] . TiNS могут сбалансировать этот анионный заряд путем введения противоионного слоя между двумя листами либо путем наслаивания, либо в водном растворе. Этот двойной электрический слой придает материалу гибкие межслоевые расстояния. [ 5 ] высокая катионообменная емкость, [ 5 ] и превосходные диэлектрические свойства. [ 1 ]
Как правило, оксид титана страдает от кислородных вакансий, которые уменьшают его потенциал в качестве конденсатора из-за вакансий, действующих как пути высокой утечки и ловушки носителей заряда. [ 1 ] однако TiNS содержат вакансии Ti, которые способствуют каналам переноса электронов. [ 1 ] Когда присутствуют вакансии Ti, эффективный заряд, ощущаемый электронами на атомах кислорода, уменьшается и обеспечивает менее затрудненное движение электронов. [ 6 ]
Приложения
[ редактировать ]
TiNS могут действовать как высокоэффективные адсорбенты и фотокатализаторы благодаря своей двумерной геометрии и структуре. Это явление можно использовать для нескольких целей, включая удаление ионов металлов и красителей из водных систем. [ 5 ] Кроме того, потенциал TiNS как электрокатализатора может повысить эффективность топливного элемента во время окисления топлива. [ 7 ] Аналогичным образом доказано, что интеркалированный миоглобин является эффективным катализатором H 2 O 2 . [ 8 ]
TiNS также можно использовать для иммобилизации биомолекул . При интеркалировании монослоя гемоглобина в TiNS усиливается перенос электронов между активными центрами белка и электродами и увеличивается электрокаталитическая активность по восстановлению O 2 . [ нужна ссылка ] Кроме того, гетероструктурированные нанолисты Fe 3 O 4 -Na 2 Ti 3 O 7 могут быть использованы для разделения белков. При помещении в водную среду с pH 6 положительно заряженный гемоглобин связывается с нанолистами, тогда как отрицательный альбумин можно обнаружить в супернатанте. [ 9 ]
Возможно, наиболее интересное применение TiNS — это разработка материала, в котором преобладают электростатически отталкивающие взаимодействия. TiNS демонстрируют максимальное электростатическое отталкивание , когда они ориентированы кофациально. Для создания гидрогеля на его основе раствор TiNS помещают в сильное магнитное поле, где силы отталкивания создают квазикристаллическую структуру. При облучении УФ-светом раствор полимеризуется и создает сшитую сеть, которая нековалентно прикрепляется к TiNS. [ 4 ] Это создает композит, который противостоит ортогонально приложенным силам сжатия, но легко деформируется из-за сил сдвига. [ 10 ] Подобные решения ТиНС могут быть использованы в качестве антивибрационного или виброизоляционного материала. [ 11 ] и в конструкции искусственного хряща . [ 4 ]
Нанолисты титаната также можно выровнять внутри полимера параллельно поверхности подложки путем простого литья капель. [ 12 ] Интеркаляцию ( полимера и ориентацию нанолистов изучали методом малоуглового рентгеновского рассеяния МУРР) с использованием плоскостного и симметричного сканирования. Картирование SAXS показало однородное выравнивание нанолистов титаната внутри полимера. Механическое армирование полиамидокислоты с использованием нанолистов титаната, согласованное с моделью Халпина-Цая , которая представляет собой составную модель, предполагающую, что наполнитель находится в выровненном положении.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д Осада, Минору; Сасаки, Такаёси (14 октября 2011 г.). «Двумерные диэлектрические нанолисты: новая наноэлектроника из нанокристаллических строительных блоков» . Продвинутые материалы . 24 (2). Уайли: 210–228. дои : 10.1002/adma.201103241 . ISSN 0935-9648 . ПМИД 21997712 .
- ^ Перейти обратно: а б Сасаки, Такаёси; Ватанабэ, Мамору; Хашизуме, Хидео; Ямада, Хирохиса; Наказава, Хиромото (1 января 1996 г.). «Макромолекулярные аспекты коллоидной суспензии расслоенного титаната. Парная ассоциация нанолистов и инициированный из нее процесс динамической сборки». Журнал Американского химического общества . 118 (35). Американское химическое общество (ACS): 8329–8335. дои : 10.1021/ja960073b . ISSN 0002-7863 .
- ^ Перейти обратно: а б М. Браун (3 февраля 2011 г.). «Отшелушивающие слоистые материалы» . Проверено 18 декабря 2021 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Лю, Минцзе; Исида, Ясухиро; Эбина, Ясуо; Сасаки, Такаёси; Хикима, Такааки; Таката, Масаки; Аида, Такудзо (31 декабря 2014 г.). «Анизотропный гидрогель с электростатическим отталкиванием между кофациально выровненными нанолистами». Природа . 517 (7532). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 68–72. дои : 10.1038/nature14060 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 25557713 .
- ^ Перейти обратно: а б с Хуан, Цзицюань; Цао, Юнге; Дэн, Чжунхуа; Тонг, Хао (2011). «Формирование наноструктур титаната при различной концентрации NaOH и их применение при очистке сточных вод». Журнал химии твердого тела . 184 (3). Эльзевир Б.В.: 712–719. дои : 10.1016/j.jssc.2011.01.023 . ISSN 0022-4596 .
- ^ Овада, Мегуми; Кимото, Кодзи; Мидзогучи, Теруясу; Эбина, Иисус; Сасаки, Такаеши (30 сентября 2013 г.). «Атомная структура нанолиста титана с вакансиями» . Научные отчеты 3 (1). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа». дои : 10.1038/srep02801 . ISSN 2045-2322 . ПМЦ 3786289 .
- ^ Бавыкин Дмитрий В.; Уолш, Фрэнк К. (2009). «Удлиненные наноструктуры титаната и их применение». Европейский журнал неорганической химии . 2009 (8). Уайли: 977–997. дои : 10.1002/ejic.200801122 . ISSN 1434-1948 .
- ^ Чжан, Л.; Чжан, К.; Ли, Дж. (12 июля 2007 г.). «Слоистые нанолисты титаната, интеркалированные миоглобином для прямой электрохимии». Передовые функциональные материалы . 17 (12). Уайли: 1958–1965. дои : 10.1002/adfm.200600991 . ISSN 1616-301X .
- ^ Чжоу, Циньхуа; Лу, Чжуфэн; Цао, Сюэбо (2014). «Гетероструктурированные нанолисты магнетита-титаната для быстрого селективного связывания заряда и магнитного разделения смешанных белков». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 415 . Эльзевир Б.В.: 48–56. дои : 10.1016/j.jcis.2013.10.012 . ISSN 0021-9797 . ПМИД 24267329 .
- ^ РИКЕН (30 декабря 2014 г.). «Отталкивающий материал: новый гидрогель, в котором преобладает электростатическое отталкивание» . ScienceDaily .
- ^ Ладегаард Сков, Энн (31 декабря 2014 г.). «Как хрящ, но проще». Природа . 517 (7532). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 25–26. дои : 10.1038/517025а . ISSN 0028-0836 . ПМИД 25557709 .
- ^ Харито, Кристиан; Бавыкин Дмитрий В.; Лайт, Марк Э. и Уолш, Фрэнк К. (2017). «Титанатные нанотрубки и нанолисты как механическое усиление водорастворимой полиаминовой кислоты: экспериментальные и теоретические исследования» (PDF) . Композиты. Часть B: Инженерия . 124 : 54–63. doi : 10.1016/j.compositesb.2017.05.051 .