Нанолист титаната
Наноматериал на основе титана
Структура титанатных нанолистов

Нанолисты титаната (IV) (TiNS) имеют двумерную структуру, в которой октаэдры TiO 6 соединены по ребрам в двумерной решетке типа лепидокрокита [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 расслоения 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. Благодаря жидкофазному расслоению эти отдельные листы слоистых материалов можно эффективно разделить с помощью соответствующего растворителя, создавая однослойные коллоидные суспензии. [3] Растворители должны иметь энергию взаимодействия со слоями, которая больше энергии взаимодействия между двумя слоями. [3] Данные рентгеновской дифракции in situ показывают, что TiNS можно рассматривать как макромолекулы с достаточным количеством растворителя между слоями, чтобы они вели себя как отдельные листы. [2]

Исходный неорганический материал, состоящий из чередующихся слоев заряженного материала, в случае протонированного титаната катионный слой состоит из протонов, а анионный слой состоит из связанных по ребрам октаэдров TiO6. Растворитель выбирается таким образом, чтобы он имел большую энергию взаимодействия со слоями, чем они друг с другом, и это взаимодействие заменит связи, удерживающие слои вместе, давая коллоидные суспензии 2D нанолистов.

Характеристики

Однослойные TiNS обладают рядом уникальных свойств и, как говорят, объединяют свойства обычного титаната и диоксида титана. Структурно они представляют собой бесконечные ультратонкие (~0,75 нм) двумерные листы с высокой плотностью отрицательных поверхностных зарядов, возникающих из атомов кислорода в углах прилегающих октаэдров [4] . TiNS могут уравновешивать этот анионный заряд, вставляя противоионный слой между двумя листами либо посредством наслаивания, либо в водном растворе. Этот двойной электрический слой придает материалу гибкие межслоевые расстояния, [5] высокую катионообменную емкость [5] и превосходные диэлектрические свойства. [1]

Обычно оксид титана страдает от кислородных вакансий, которые снижают его потенциал как конденсатора из-за вакансий, действующих как пути высокой утечки и ловушки носителей заряда, [1] однако TiNS обладают вакансиями Ti, которые способствуют каналам для переноса электронов. [1] Когда присутствуют вакансии Ti, эффективный заряд, ощущаемый электронами на атомах кислорода, уменьшается и обеспечивает менее затрудненное движение электронов. [6]

Приложения

Кофациальное выравнивание TiNS. Кофациальное выравнивание анионно заряженного титаната максимизирует отталкивание между кофациальными листами и происходит под действием магнитного поля.

TiNS могут действовать как высокоэффективные адсорбенты и фотокатализаторы благодаря своей двумерной геометрии и структуре. Это явление может быть использовано в нескольких приложениях, включая удаление ионов металлов и красителей из водных систем. [5] Кроме того, потенциал TiNS как электрокатализатора может повысить эффективность топливных элементов во время окисления топлива. [7] Аналогично, доказано, что интеркалированный миоглобин является эффективным катализатором для H 2 O 2 . [8]

TiNS также могут быть использованы для иммобилизации биомолекул . Когда монослой гемоглобина интеркалируется в TiNS, перенос электронов между активными участками белка и электродами усиливается, и электрокаталитическая активность для восстановления O 2 увеличивается. [ необходима цитата ] 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 при pH 6 положительно заряженный гемоглобин связывается с нанолистами, тогда как отрицательно заряженный альбумин может быть обнаружен в супернатанте. [9]

Возможно, наиболее интересное применение TiNS заключается в разработке материала, в котором доминируют электростатически отталкивающие взаимодействия. TiNS проявляют максимальное электростатическое отталкивание, когда они выровнены кофациально. Чтобы создать гидрогель на его основе, раствор TiNS помещают в сильное магнитное поле, где силы отталкивания индуцируют квазикристаллическую структуру. При облучении УФ-светом раствор полимеризуется и создает сшитую сеть, которая нековалентно прикреплена к TiNS. [4] Это создает композит, который сопротивляется ортогонально приложенным сжимающим силам, но легко деформируется из-за сдвигающих сил. [10] Растворы TiNS такого рода могут использоваться в качестве антивибрационного или виброизолирующего материала [11] и при проектировании искусственного хряща . [4]

Нанолисты титаната также могут быть выровнены внутри полимера параллельно поверхности подложки простым литьем капель. [12] Интеркаляция полимера и ориентация нанолистов изучались методом малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) с использованием плоскостного и симметричного сканирования. Картирование SAXS показало однородное выравнивание нанолистов титаната внутри полимера. Механическое армирование полиаминовой кислоты с использованием нанолистов титаната соответствовало модели Халпина-Цая , которая является композитной моделью, предполагающей, что наполнитель находится в выровненном положении.

Ссылки

  1. ^ abcd Осада, Минору; Сасаки, Такаёши (2011-10-14). «Двумерные диэлектрические нанолисты: новая наноэлектроника из нанокристаллических строительных блоков». Advanced Materials . 24 (2). Wiley: 210–228. doi : 10.1002/adma.201103241 . ISSN  0935-9648. PMID  21997712.
  2. ^ аб Сасаки, Такаяси; 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.
  3. ^ ab M. Brown (2011-02-03). "Отшелушивающие слоистые материалы" . Получено 2021-12-18 .
  4. ^ abc Лю, Минцзе; Ишида, Ясухиро; Эбина, Ясуо; Сасаки, Такаёши; Хикима, Такааки; Таката, Масаки; Айда, Такудзо (2014-12-31). «Анизотропный гидрогель с электростатическим отталкиванием между кофациально выровненными нанолистами». Nature . 517 (7532). Springer Science and Business Media LLC: 68–72. doi :10.1038/nature14060. ISSN  0028-0836. PMID  25557713.
  5. ^ abc 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). Elsevier BV: 712–719. doi :10.1016/j.jssc.2011.01.023. ISSN  0022-4596.
  6. ^ Овада, Мегуми; Кимото, Кодзи; Мидзогучи, Теруясу; Эбина, Ясуо; Сасаки, Такаёси (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 . 
  7. ^ Бавыкин, Дмитрий В.; Уолш, Фрэнк К. (2009). «Удлиненные титанатные наноструктуры и их применение». Европейский журнал неорганической химии . 2009 (8). Wiley: 977–997. doi :10.1002/ejic.200801122. ISSN  1434-1948.
  8. ^ Чжан, Л.; Чжан, Ц.; Ли, Дж. (2007-07-12). «Слоистые титанатные нанолисты, интеркалированные миоглобином для прямой электрохимии». Advanced Functional Materials . 17 (12). Wiley: 1958–1965. doi :10.1002/adfm.200600991. ISSN  1616-301X.
  9. ^ 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. Elsevier BV: 48–56. doi :10.1016/j.jcis.2013.10.012. ISSN  0021-9797. PMID  24267329.
  10. ^ RIKEN (30 декабря 2014 г.). «Отталкивающий материал: новый гидрогель, в котором доминирует электростатическое отталкивание». ScienceDaily .
  11. ^ Ладегаард Сков, Энн (31 декабря 2014 г.). «Как хрящ, но проще». Природа . 517 (7532). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 25–26. дои : 10.1038/517025a. ISSN  0028-0836. ПМИД  25557709.
  12. ^ 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.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Titanate_nanosheet&oldid=1201530644"