Podrobno

Interakcija (poli)ionov z nanodelci titanovega in cerijevega oksida
ID Berglez, Tilen (Avtor), ID Reščič, Jurij (Mentor) Več o mentorju... Povezava se odpre v novem oknu, ID Bohinc, Klemen (Komentor)

.pdfPDF - Predstavitvena datoteka, prenos (30,02 MB)
MD5: 7764D32F1B5FFB857B26125FE85BFEB5

Izvleček
Raziskovali smo interakcijo nanodelcev TiO$_2$ in CeO$_2$ z različnimi nabitimi zvrstmi v suspenziji, pri čemer smo uporabili kombinacijo eksperimentalnih, računalniških in teoretičnih metod. Prvenstveno nas je zanimal vpliv stereokemije in velikosti hidrofobne skupine v monomerni enoti poli(α-alkil karboksilnih kislin) na lastnosti suspenzij nanodelcev. Meritve zeta potenciala in dinamičnega sipanja laserske svetlobe (DLS) so pokazale, da dodatek polikislin znižuje zeta potencial disperzije nanodelcev v območju pH, kjer so te delno ali popolnoma deprotonirane, ter vpliva na velikost agregatov nanodelcev. Uporabili smo poli(metakrilno kislino) v ataktični (aPMA) in izotaktični (iPMA) obliki ter primerjali njun vpliv na agregacijo nanodelcev in njihov zeta potencial. Razlike med obema oblikama so bile majhne, iPMA pa je povzročila nekoliko večji premik izoelektrične točke (∆pH$_{IEP}$) tako pri interakciji s TiO$_2$ kot CeO$_2$. Vpliv hidrofobnosti smo preverili s poli(akrilno kislino) (PAA), PMA in poli(etakrilno kislino) (PEA). Dodatek PAA je povzročil največji premik pH$_{IEP}$ nanodelcev TiO$_2$ (∆pH$_{IEP}$ ≈ 3,5), sledila je PMA (∆pH$_{IEP}$ ≈ 2,8) in PEA (∆pH$_{IEP}$ ≈ 1). DLS meritve so potrdile večjo agregacijo v bližini pH$_{IEP}$ in s tem zmanjšano stabilnost suspenzij. Podobni trendi so bili opaženi tudi pri interakciji polikislin s CeO$_2$. Računalniške simulacije molekulske dinamike (MD) in simulacije Monte Carlo so pokazale, kako se polimeri vežejo na površino nanodelcev glede na naboj površine in stopnjo nevtralizacije polikisline. Simulacije z metodo vzorčenja z umetnim potencialom (angl. umbrella sampling) so omogočile oceno prostih energij adsorpcije. Bolj hidrofobne polikisline, ki imajo višje vrednosti pK$_a$, so pri določenem pH manj nabite in tvorijo manj vodikovih vezi s površino, kar vodi do šibkejše adsorpcije in manjšega vpliva na lastnosti suspenzij nanodelcev. Preučevali smo tudi interakcije dvovalentnih kationov z nanodelci TiO$_2$ in CeO$_2$. Nanodelce različnih geometrij (nanosfere, nanoploščice, nanožice) smo sintetizirali in okarakterizirali s transmisijsko/vrstično elektronsko mikroskopijo (TEM, SEM), praškovno rentgensko difrakcijo (XRD) in metodo Brunauer–Emmett–Teller (BET). Meritve TEM in simulacije MD so pokazale, da se kationi prednostno vežejo na robove nanoploščic TiO$_2$, kar je verjetno posledica višje koncentracije površinskih defektov in koncentriranja naboja na robovih. Manjši sferični nanodelci so zaradi večje specifične površine pokazali višjo kapaciteto adsorpcije kationov kot večji sferični nanodelci. Adsorpcijo težkih kovin na nanoploščice TiO$_2$ smo analizirali na primeru ionov Pb$^{2+}$. Kljub enakemu predznaku naboja nanodelcev in ionov pri pH 3–5, je prišlo do adsorpcije ionov Pb$^{2+}$ na nanodelcih, zanimiv pojav pa je bila tvorba nanoklastrov PbO pod elektronskim snopom TEM, ki so z daljšim obsevanjem rasli in migrirali na ogljikovo mrežico mikroskopa. Zaradi omejene topnosti večvalentnih ionov težkih kovin v širokem območju pH smo nato preučili interakcijo nanodelcev s kationi zemljoalkalijskih kovin (Mg$^{2+}$, Ca$^{2+}$, Sr$^{2+}$ in Ba$^{2+}$). Meritve TEM, rentgenske fotoelektronske spektroskopije (XPS) in zeta potenciala ter računalniške simulacije (MD, ab initio MD (AIMD)) so pokazale, da se kationi z večjo molsko maso bolj ugodno adsorbirajo na nanodelce TiO$_2$ in močneje vplivajo na njihov zeta potencial oziroma naboj. Prisotnost monovalentnih ionov zmanjša adsorpcijo dvovalentnih kationov, kar so potrdile meritve XPS in simulacije MD. S pomočjo simulacij AIMD smo preučili tudi interakcijo kationov zemljoalkalijskih kovin z nanodelci CeO$_2$, ki podobno kažejo, da se bolj močno hidratirani in manjši kationi vežejo dlje od površine ter so koordinirani z manjšim številom površinskih kisikovih atomov. Pripravili smo tudi teoretični model za opis površine nanodelcev v stiku z raztopino ionov na podlagi teorije gostotnega funkcionala.

Jezik:Slovenski jezik
Ključne besede:-
Vrsta gradiva:Doktorsko delo/naloga
Tipologija:2.08 - Doktorska disertacija
Organizacija:FKKT - Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo
Leto izida:2025
PID:20.500.12556/RUL-174279 Povezava se odpre v novem oknu
COBISS.SI-ID:254092291 Povezava se odpre v novem oknu
Datum objave v RUL:30.09.2025
Število ogledov:425
Število prenosov:141
Metapodatki:XML DC-XML DC-RDF
:
Kopiraj citat
Objavi na:Bookmark and Share

Sekundarni jezik

Jezik:Angleški jezik
Naslov:Interaction of (poly)ions with titanium and cerium oxide nanoparticles
Izvleček:
We investigated the interaction of TiO$_2$ and CeO$_2$ nanoparticles with various charged species in suspension, using a combination of experimental, computational, and theoretical approaches. Initially, we focused on the effect of stereochemistry and the size of the hydrophobic group in the repeating unit of poly(α-alkyl carboxylic acids) on the properties of nanoparticle suspensions. Zeta potential measurements and dynamic light scattering (DLS) showed that the addition of polyacids decreases the zeta potential in the pH range where the acids are partially or fully deprotonated. We used poly(methacrylic acid) in atactic (aPMA) and isotactic (iPMA) forms and compared their influence on nanoparticle aggregation and zeta potential. Differences between the two forms were small, with iPMA causing a slightly larger shift of the isoelectric point (∆pH$_{IEP}$) for both TiO$_2$ and CeO$_2$. To examine the effect of hydrophobicity, we used poly(acrylic acid) (PAA), PMA, and poly(ethacrylic acid) (PEA). The addition of PAA caused the largest shift in the pH$_{IEP}$ of TiO$_2$ nanoparticles (∆pH$_{IEP}$ ≈ 3.5), followed by PMA (∆pH$_{IEP}$ ≈ 2.8), and PEA (∆pH$_{IEP}$ ≈ 1). DLS measurements confirmed increased aggregation close to the pH$_{IEP}$, indicating reduced suspension stability. Similartrends were observed for interactions between polyacids and CeO$_2$. Molecular dynamics (MD) and Monte Carlo simulations revealed how polymers bind to na-noparticle surfaces depending on surface charge and acid ionization degree. Umbrella sampling simulations enabled estimation of free energies of adsorption of polyacids on TiO$_2$. More hydropho-bic polyacids have higher pK$_a$ values, are less charged at a given pH, and form fewer hydrogen bonds with the surface, resulting in weaker adsorption and a smaller impact on suspension properties. We also studied interactions of divalent cations with TiO$_2$ and CeO$_2$ nanoparticles. Nanoparticles with various geometries (nanospheres, nanoplates, nanowires) were synthesized and characterized using transmission/scanning electron microscopy (TEM, SEM), powder X-ray diffraction (XRD), and the Brunauer–Emmett–Teller (BET) method. TEM measurements and MD simulations showed that cations preferentially bind to the edges of TiO$_2$ nanoplates, likely due to a higher concentration of surface defects at the edges. Smaller spherical nanoparticles exhibited higher adsorption capacity than larger spherical nanoparticles, due to their larger specific surface area. Heavy metal adsorption on TiO$_2$ nanoplates was analyzed using Pb$^{2+}$ as model ions. Despite both the nanoparticles and ions carrying a positive charge at pH 3–5, adsorption still occurred. A particularly interesting observation was the formation of PbO nanoclusters under the electron beam in TEM, which grew and migrated onto the microscope’s carbon grid with prolonged irradiation. Due to the limited solubility of multivalent heavy metal ions over a wide pH range, we further investigated the interaction of nanoparticles with alkaline earth metal cations (Mg$^{2+}$, Ca$^{2+}$, Sr$^{2+}$, and Ba$^{2+}$). TEM, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), zeta potential measurements, and simulations (MD, ab initio MD (AIMD)) showed that cations with higher molar mass adsorb more favorably onto TiO$_2$ nanoparticles and more strongly affect their zeta potential. The presence of monovalent ions reduced the adsorption of divalent cations, as confirmed by XPS and MD simulations. AIMD simu-lations were also used to examine the interaction of alkaline earth cations with CeO$_2$ nanoparticles, showing that more strongly hydrated and smaller cations bind farther away from the surface and are coordinated by fewer surface oxygen atoms. We also developed a theoretical model to describe the nanoparticle surface in contact with an ionic solution based on density functional theory.

Ključne besede:-

Podobna dela

Podobna dela v RUL:
Podobna dela v drugih slovenskih zbirkah:

Nazaj