Влияние условий осаждения на морфологию частиц оксида церия

Abstract

Наночастицы оксида церия (IV) являются перспективными агентами для использования в лучевой терапии. Морфология наночастиц в значительной мере определяет их эффективность. Представлены результаты исследования условий осаждения наночастиц оксида церия (IV), проведено варьирование параметров синтезов и оценена их эффективность с точки зрения морфологии получаемых структур. Подобраны условия получения наночастиц с оптимальными физико-химическими свойствами, высокой стабильностью и воспроизводимостью синтеза.

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Наноразмерный оксид церия – перспективный материал для различных приложений, в том числе для катализа и биомедицинских задач за счет своих уникальных физико-химических свойств и фотокаталитической активности. Особенностью наночастиц оксида церия (IV) (НЧ СеО₂) является изменение формальной степени окисления атомов церия при переходе в нанокристаллическое состояние [1]. Присутствие на поверхности НЧ СеО₂ ионов Ce³⁺ приводит к формированию кислородных вакансий. Обратимый переход между Ce (III) и Ce (IV) лежит в основе высокой каталитической и антибактериальной активности НЧ СеО₂, а также ряда других уникальных свойств [2].

На сегодняшний день предложены различные способы синтеза НЧ СеО₂, проявляющих антиоксидантную, противораковую и антибактериальную активности, а также используемых для проведения токсикологических исследований. Это осаждение, гидротермальный и микроволновый методы, а также синтез в микроэмульсиях и другие подходы [3]. Получаемые наночастицы не только способны вступать в окислительно-восстановительные реакции, но и характеризуются долгосрочной стабильностью и низкой токсичностью [4, 5]. Метод осаждения – самый простой и широко используемый способ получения НЧ СеО₂, в связи с чем он наиболее коммерчески эффективен [6].

Вместе с тем на сегодняшний день не до конца оптимизированы детали синтеза, позволяющие воспроизводимо получать НЧ СеО₂ с заданным размером и высокой коллоидной стабильностью. В данной работе для получения НЧ СеО₂ проводили различные модификации синтеза на основе нитрата церия (варьирование среды, условий добавления реагентов, методик сушки и прокаливания). Все эти особенности синтеза оказывают влияние как на размер получаемых НЧ СеО₂, так и на их возможную дальнейшую агломерацию.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Методы эксперимента

Для смешивания водных растворов использовали насос инфузионный шприцевой SPLab02 2-канальный, для сушки отдельных образцов – лиофильную сушку (Labconco Corp.), сушильный шкаф или муфельную печь.

С помощью прибора Zetzsizer Ultra Red Lшne (Malvern) определяли размер наночастиц и их дзета-потенциал. Рентгенофазовый анализ осуществляли с применением многофункционального рентгеновского дифрактометра ДРОН-8Т (АО “ИЦ “Буревестник”, Санкт-Петербург, Россия). Для регистрации дифрактограмм НЧ СеО₂ применяли CuKα-излучение, параболическое зеркало Гебеля и позиционно-чувствительный детектор Mythen 2R1D с дискретностью 0,0144°. Морфологию частиц изучали с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) MIRA II LMU. Проводили также исследования с использованием рамановского спектрометра (Renishaw inVia, UK), многофункционального планшетного ридера Synergy™ H1, BioTek, ИК фурье-спектрометра ФТ-801, Симекс.

Сравнение способов осаждения

По стандартной методике 20 мл 0,0375 М водного раствора нитрата церия смешивали с 3 мл 3.2 н. водного раствора NH₄OH и сушили при 80 °C. Во всех экспериментах с нитратом церия использовали деионизованную воду. Для получения НЧ СеО₂ было апробировано три варианта смешивания: (i) быстрый впрыск NH₄OH в водный раствор нитрата церия; (ii) медленное добавление NH₄OH в водный раствор нитрата церия; (iii) одновременное медленное введение растворов NH₄OH и нитрата церия. Затем реакционную смесь перемешивали в течение одного часа в закрытой емкости при комнатной температуре со скоростью 250 об/мин, полученные НЧ СеО₂ отчищали от побочных продуктов реакции осаждением. Для этого полученный коллоидный раствор центрифугировали в течение 2,5 мин со скоростью 5000 об/мин и ресуспендировали в воде. Процесс повторяли до тех пор, пока надосадочная жидкость не становилась прозрачной. На финальном этапе порошок НЧ СеО₂ получали сушкой коллоида потоком воздуха комнатной температуры.

Установлено, что при использовании одновременного медленного добавления NH₄OH и нитрата церия (подход iii) в реакционной смеси отсутствуют крупные агломераты и частицы, что говорит о равномерном образовании нанокристаллов.

Сравнение условий сушки

Для детального исследования влияния условий сушки на характеристики НЧ СеО₂ образцы, полученные при различных вариантах смешивания, делили на две части и подвергли сушке либо в течение 16 ч при температуре 120 °C в сушильном шкафу, либо в течение 2 ч при температуре 600 °C в муфельной печи. Полученные образцы ресуспендировали в фосфатносолевом буфере и помещали в ультразвуковую ванну на 15 мин.

Таблица 1. ζ-потенциал и размер наночастиц оксида церия (IV), полученные при разных вариантах смешивания реагентов и условий сушки

Вариант смешивания	Вариант сушки	ζ-потенциал, мВ	Гидродинамический диаметр, нм
Быстрый впрыск (i)	120 °C, 16 ч (i-120)	1.6	173 (~50%) 374 (~50%)
	600 °C, 2 ч (i-600)	–6	150
Медленное добавление (ii)	120 °C, 16 ч (ii-120)	–31	531
	600 °C, 2 ч (ii-600)	–2.5	124
Одновременное добавление (iii)	120 °C, 16 ч (iii – 120)	–20	140
	600 °C, 2 ч (iii – 600)	–30	654 (~95%) 1317 (~5%)

Размер наночастиц и их дзета-потенциал в полученных водных коллоидах были измерены при помощи динамического рассеяния света. Средний ζ-потенциал полученных НЧ СеО₂ варьируется в широком диапазоне от –2 до –30 мВ (табл. 1). Значения близкие к нулю свидетельствуют о наличии крупных агломератов и низкой коллоидной стабильности. Высокие значения индекса полидисперсности (PI) также свидетельствовали о большом разбросе размеров получаемых частиц. Как видно из данных таблицы, максимальное (по модулю) значение ζ-потенциала (–30 мВ) и минимальный размер частиц (140 нм) выявлены для образцов, полученных по методике одновременного добавления (подход iii), что говорит о зависимости формирования НЧ СеО₂ от метода впрыска.

Для уточнения морфологии и размера НЧ СеО₂ был использован метод сканирующей электронной микроскопии. Обнаружено, что при получении НЧ СеО₂ с использованием вариантов быстрого впрыска (i) и медленного добавления (ii) присутствуют большие частицы, в то же время при одновременном медленном добавлении реагентов наблюдались частицы меньшего размера (от 20 нм и выше), что указывает на то, что такой метод добавления является оптимальным для получения НЧ СеО₂ (рис. 1). Изучение морфологии показало, что агломераты состоят из наночастиц размером примерно 20–30 нм. При этом при сушке в течение 16 ч при 120 °C происходит высыхание с образованием частиц желтого цвета на поверхности тигля, а при увеличении температуры нагрева со 120 до 600 °C коллоид высыхает с образованием равномерного слоя, который позже поддается измельчению перетиранием в ступке (рис. 1).

Рис. 1. Изображения, полученные сканирующей электронной микроскопией: НЧ СеО₂ после этапа просушки при 80 °С в течение 2.5 ч (а–в), в течении 16 ч при 120 °С (г–e) или в течение 2 ч при 600 °С (ж–и): (а, г, ж) быстрый впрыск NH₄OH в водный раствор нитрата церия; (б, д, з) медленное добавление NH₄OH в водный раствор нитрата церия; (в, е, и) одновременное медленное добавления NH₄OH и нитрата церия.

Так как для образца НЧ СеО₂, полученного при одновременном медленном введении растворов NH₄OH и нитрата церия в реакционную смесь, прокаливание при температуре 600 °С приводило к значительной агломерации частиц (данные табл. 1), то было решено отказаться от использования высоких температур и провести детальное исследование образца НЧ СеО₂, полученного одновременным медленным добавлением реагентов и просушкой при 120 °С, 16 ч (iii-120). Результаты рентгенофазового анализа данного образца приведены на рис. 2. Представленные пики соответствуют рефлексам CeO₂ с индексами hkl (при углах 2θ, °): 111 (28.54 °), 200 (33.08 °), 220 (47.48 °), 311 (56.28 °), 222 (59.06 °), 400 (69.62 °), 331 (76.72 °) [7].

Рис. 2. Экспериментальная дифрактограмма образца НЧ СеО₂, полученного одновременным медленным добавлением реагентов (iii-120).

Для образцов оценивали средние размеры областей когерентного рассеяния (ОКР) и величины микродеформаций в форме <ε²>. Уширение пиков, обусловленное малым размером ОКР, и уширение, обусловленное микронапряжениями, разделяются в соответствии с графическим подходом Вильямсона–Холла для пиков гауссовской формы. Для образца с минимальным размером наночастиц, который был установлен по данным динамического рассеивания света и сканирующей электронной микроскопии, метод Вильямсона–Холла показал размер ОКР 13 ± 2 нм, что подтверждает теорию о зарождении наночастиц с их дальнейшей агломерацией.

Рис. 3. Данные инфракрасной спектроскопии для НЧ СеО₂, полученных одновременным впрыском реагентов и последующей сушкой при 120 °С (iii-120).

На рис. 3 показано, что на инфракрасных (ИК) спектрах НЧ СеО₂ присутствуют характеристические колебания связи Ce–O 734 см^-1. Полоса при 462 см^-1 характеризует симметрию F2g, которая является единственной комбинационной модой флюорита. На подповерхностные вакансии кислорода указывают полосы при 611, 803 и 1061 см^-1. Увеличение интенсивности в длинноволновой области для образцов iii-120 предположительно связаны с флуоресцентным фоном, создаваемым НЧ СеО₂.

Детально исследовали влияние различных подходов к сушке при низких температурах, а также оценили влияние ультразвука на размер кристаллов СеО₂. Этап осаждения проводили с использованием шприцевого насоса для более равномерного распределения получаемых наночастиц по размерам, после чего образцы разделяли на 2 части. Половина коллоида была обработана ультразвуковым щупом с частотой 2.5 МГц 3 раза в течение 30 сек с перерывом в 2 мин с целью предотвращения вскипания образца. После этого оба образца были разделены на три части и высушены с использованием разных подходов: 2.5 ч при температуре 80 °C, лиофильной сушкой и потоком воздуха при комнатной температуре в течение 18 ч, и охарактеризованы методом динамического светорассеяния (табл. 2).

Таблица 2. Размер и ζ-потенциал полученных при осаждении наночастиц оксида церия (IV)

Обработка		Гидрординамический диаметр, нм	ζ-потенциал, мВ
Осаждение	Сушка 80 °C	1068	–10
	Лиофильная сушка	461	+4.9
	Сушка потоком воздуха	174	–18
Осаждение + Ультразвук	Сушка 80 °C	2149 (~90%) 702 (~10%)	–4
	Лиофильная сушка	462 (~99%) 654 (~1%)	–0.95
	Сушка потоком воздуха	131 (~89%) 264 (~11%)	–34

Показано, что использование ультразвука не позволило предотвратить формирование крупных агрегатов. Агломерация частиц настолько высока, что получившиеся агломераты выпадают в осадок, что подтверждается низкими значениями ζ-потенциала, а также высоким уровнем полидисперсности. Образцы НЧ СеО₂, полученные путем лиофильной сушки и сушки при повышенной температуре, более склонны к образованию крупных агломератов (рис. 4).

Рис. 4. СЭМ-изображения НЧ СеО₂, полученных осаждением при одновременном введении растворов нитрата церия и аммиака без ультразвукового воздействия (а–в) и с ультразвуковой обработкой (г–е) и с последующей сушкой при 80 °С (а, г); при лиофильной сушке (б, д); при сушке потоком воздуха (в, е).

Таким образом, наиболее мелкие частицы могут быть получены при использовании осаждения путем одновременного медленного добавления реагентов с последующей сушкой за счет потока воздуха при комнатной температуре.

Рис. 5. Спектры комбинационного рассеяния НЧ СеО₂ время накопления сигнала 60 с.

Из данных комбинационного рассеяния видно (рис. 5), что образцы, полученные осаждением с сушкой потоком воздуха и нагреванием, обладают схожими полосами в спектрах. Увеличение интенсивности сигналов в длинноволновой части спектра, вероятнее всего, связано с наложением флуоресценции наночастиц СеО₂, что подтверждается спектрами поглощения и флуоресценции. Изменение в нанокристалле кислородной стехиометрии и образование ионов Ce³⁺ вызовет изменение оптических и люминесцентных свойств НЧ оксида церия. При ультразвуковом воздействии на осажденный образец происходит увелечение интенсивности в длинноволновой области, при этом характер полос флюорита с подповерхностными кислородными вакансиями не изменяется (полосы при 462 и 623 см^-1). Спектры поглощения и флуоресценции представлены на рис. 6.

Рис. 6. Спектры поглощения (а) и флуоресценции (длина волны возбуждения = 380 нм) (б) НЧ СеО₂.

Влияние среды, в которой происходит осаждение

Для изучения влияния среды на процесс осаждения НЧ СеО₂ водная среда была частично заменена на менее полярный растворитель – этанол. Нитрат церия (1 грамм) растворяли в 17 мл деионизированной воды. При постоянном перемешивании добавляли 7 мл этанола, после чего раствор доводили до рН 8 раствором аммиака и перемешивали еще 4 ч при комнатной температуре. Полученный серый коллоид осаждали центрифугированием при 5000 об/мин в течение 2 мин, процедуру повторяли два раза. Осадок просушивали потоком воздуха в течение 16 ч до формирования светло-желтого вещества. Значение ζ-потенциала НЧ СеО₂, полученных в присутствии этанола, составило –37 мВ; гидродинамический диаметр составил 60 нм (75%) и 2529 нм (25%) с PI 1.12, что говорит о неоднородном распределении НЧ по размеру. Относительно маленький размер НЧ подтверждают СЭМ-исследования ~ 100 нм (рис. 7).

Рис. 7. СЭМ-изображения наночастиц НЧ СеО₂, полученных осаждением в присутствии этанола.

Расширение характерных для оксида церия пиков на дифрактограмме НЧ СеО₂, полученных в присутствии этанола, свидетельствует о наноразмерности частиц. Анализ уширения пиков показал размеры областей когерентного рассеяния 8 нм (рис. 8). Таким образом, изменение полярности среды значительно влияет на размер наночастиц и их агломерацию.

Рис. 8. Дифрактограмма НЧ СеО₂, полученных в присутствии этанола.

Таким образом, применение дополнительных инструментов, таких как использование ультразвука для разрушения агрегатов, либо изменение свойств среды за счет добавления этанола, не продемонстрировали своей эффективности.

ВЫВОДЫ

Сравнение различных подходов и оптимизация отдельных этапов получения НЧ СеО₂ показали, что оптимальным методом, позволяющим получить наночастицы размером от 20 нм при их небольшой степени агрегации (в сравнении с другими методами), является последовательное использование следующих операций: осаждение при одновременном медленном введении в реакционную смесь с помощью шприцевого насоса растворов нитрата церия и аммиака; использование мягкой сушки при комнатной температуре в потоке воздуха.

Работа выполнена при поддержке РНФ Работа 22–63–00082.

Авторы данной работы заявляют, что у них нет конфликта интересов.