Titanium dioxide nanoreactor

February 21, 2013

 

The nanoparticles crystallize in a polymer network at room temperature. Credit: HZB

Tiny particles of titanium dioxide are found as key ingredients in wall paints, sunscreens, and toothpaste; they act as reflectors of light or as abrasives. However with decreasing particle size and a corresponding change in their surface-to-volume ratio, their properties change so that crystalline titanium dioxide nanoparticles acquire catalytic ability: Activated by the UV component in sunlight, they break down toxins or catalyze other relevant reactions.

据物理学家组织网（Phys.org）2013年2月21日报道，德国柏林Helmholtz-Zentrum材料与工程股份有限公司（Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH）软物质与功能材料研究所（Institute for Soft Matter and Functional Materials）以及柏林洪堡大学（Humboldt University Berlin）的研究人员合作，成功研制出一种TiO₂纳米反应器。在室温条件下，TiO₂纳米颗粒在聚合物网络结构中结晶（见图示），其中PS是聚苯乙烯（polystyrene的缩写），直径大约在160 nm,与PS周围的聚合物网状结构一起直径在260 nm左右。热敏核壳PS-PNIPAM（聚苯乙烯-聚（n-异丙基丙烯酰胺），poly(n-isopropylacrylamide)）的合成与以前报道的合成方法不同，首先是通过传统的乳液聚合在PS核的外面包裹薄薄的一层共聚PNIPAM，再在室温下与Ti(OEt)₄反应在PS核外的网状结构中沉积出纳米TiO₂（直径6 nm）微粒。

微小的TiO₂粒子主要作为一种配料应用于墙漆（涂料）、防晒霜以及牙膏等产品，其作用是反射阳光，免遭晒伤或作为磨料使用。然而，随着其粒子大小的降低，势必引起表面体积比的相应变化,其属性也会出现变化。晶体TiO₂纳米颗粒可以获得催化能力:通过阳光紫外线激活,使其具有分解毒素或对其他相关反应发挥催化作用。

现在, 德国柏林亥姆霍兹中心（Helmholtz Centre Berlin）的Katja Henzler博士和其他化学家已经开发出一种合成方法可以在室温下生产纳米粒子。这是迄今为止，关于聚合纳米反应器应用研究过程中取得的重要的研究进展,因为以前的研究，必须使纳米粒子完全加热使其结晶。但是，最新的合成步骤由于是在PNIPAM网络结构的特殊环境内进行，加热过程则可以免除。Katja Henzler博士带领的研究团队制得的聚合物纳米反应器是由PNIPAM链形成的网状结构将聚苯乙烯核包围起来而构成的。将一种钛化合物（即Ti(OEt)₄）添加到一种聚合物胶体的乙醇溶液中,聚合物胶体会触发在PNIPAM网状结构中形成细小的TiO₂粒子。实验结果表明, 化学家能够控制这些过程的速度,同时影响已经形成的纳米晶体的质量。在实验过程中，联合使用x射线显微术和光谱学(NEXAFS-TXM,U41-SGM)。Katja Henzler博士和显微镜研究团队的研究结果已经表明,TiO₂纳米粒子在聚合物纳米反应器内整体分布是均匀的。研究人员为了防止人工形成导致样品干燥，他们在低温水环境条件下检查了得到的样品。分析结果表明,TiO₂纳米粒子都具有同样的晶体结构即正方锐钛矿结构，这种晶体结构使其具有催化特性的关键。TiO₂在自然界中存在3种晶体结构：即金红石型、锐钛矿型以及板钛矿型。其中金红石型和锐钛矿型TiO₂具有较高的催化活性，尤以锐钛矿型TiO₂光催化活性最佳。研究人员声称他们新分析方法可以实现对合成粒子质量的控制,这样就可以根据特定应用进行最优化处理。

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