外文翻译：二氧化钛纳米粒子用硅烷偶联剂

二氧化钛纳米粒子用硅烷偶联剂的表面改性摘要 为了制作适用的纳米TiO2优异的光催化活性和抗菌剂，以及用于UV保护和环境净化，一个很大的潜力由二氧化钛纳米粒子多功能化的面料被认可。为了提高纳米颗粒在织物表面的耐久性，用TiO 2纳米颗粒的表面上在接枝3-氨基丙基（APTMS）和3-异氰酸根合（IPTMS）在水性过程研究。二氧化钛接枝效率纳米颗粒在不同反应条件，接枝率不同。红外光谱证实，有机官能组已成功嫁接到二氧化钛纳米粒子表面都为APTMS接枝纳米TiO2纳米粒子（A-二氧化钛）和IPTMS接枝纳米TiO2（I-二氧化钛）。TiO 2纳米颗粒的纳米颗粒等电点（IEP），表面改性后移大约在pH =6.4至pH= 9.4的zeta电位显著增加，这是由NH 2基团在酸性区域的质子化。显著减少粒子流体力学直径和多分散性指数（PDI）表示粒子的分散稳定性可以通过增加粒子的Zeta电位。随着有机硅烷比率从0至200（重量）时，二氧化钛的光催化活性的速率常数和速度的轻微下降，这也显著取决于接枝效率。关键词： 二氧化钛纳米粒子；硅烷偶联剂；表面改性1简介作为一种流行的光催化剂，二氧化钛已经被广泛使用，因为它的各种优点，如光学和电子特性，低的成本，高的光催化活性，化学稳定性和无毒性，抗菌剂，紫外线保护和环境纯化1-5。当二氧化钛颗粒尺寸减小到纳米规模，催化活性增加为膨胀的结果的光带隙为量子尺寸和由于增强的有效表面积2.6-9。近年来，一些研究报告显示有希望从二氧化钛纳米粒子的多功能提供给不同的纺织材料5。然而，主要的问题纳米颗粒应用到纺织材料是维护获得足够的耐久性。TiO 2的沉积纳米粒子在织物上是非常具有挑战性，由于缺乏面料和二氧化钛纳米粒子10.11之间的化学键。因此，开发了新一代的功能材料具有光催化和紫外线屏蔽性和长期的纺织基材耐久性为许多研究的主要目的。一方面，粘合剂材料可被用来创建粒子与基体之间的化学链接。 Mihailovic等10报告了制备多官能纺织品的可能性采用天然海藻多糖纳米复合材料作为粘合剂，以改善胶体TiO 2纳米颗粒的耐久性涤纶面料。齐等人12提出了一种新的方法来通过水溶液准备锐钛型二氧化钛纳米粒子溶胶 - 凝胶过程用少量的酸，这防止了损失的棉织物的机械强度和改进二氧化钛薄膜和棉花基板之间的粘附力。另一方面，接枝活性官能团上的粒子表面可以增加化学键形成的可能性修改粒子和布料之间，从而改善他们的的粘合强度。 Chen和雅科夫列夫13研究了吸附和二氧化钛纳米粒子的有机硅烷的互动，证实在颗粒表面的官能团的键合是通过硅钛实现结合。在这项研究中，两种类型的硅烷偶联剂的3-氨基丙基三甲（APTMS）和3-异氰酸根合（IPTMS）施加作为粒子表面改性剂为接枝官能团到二氧化钛纳米粒子表面，因而提高纳米颗粒以织物的亲和力。为了理解的表面修饰上的各种性能的影响TiO2纳米颗粒，接枝效率，表面组合物，电位，粒径和光催化活性分别进行调查。2.实验2.1物料二氧化钛纳米粉末（Degussa公司的P-25）是由-提供Aldrich公司。 3-氨基丙基（APTMS）和3-异氰酸根合（IPTMS）购自ABCR，德国。该材料被用作前没有任何接收预处理。2.2二氧化钛纳米粒子的表面改性 0.5克氧化钛粉体的分散在50毫升去离子水通过超声10分钟。然后，将硅烷偶剂（APTMS或IPTMS）用不同浓度（12.5，25，50，100和200）中加入在分散液。将混合物保持回流，在不同的反应条件。在此之后，分散颗粒从溶剂中，在分离由离心（10分钟10000转），随后用乙醇洗涤和水交替地至少2个循环以除去过量的硅烷。到重新分散在新鲜溶剂的离心颗粒，把他们放在超声浴中10分钟以上，以确保视觉上良好分散悬浮液，离心前再恢复。一旦该过程完成后，将修饰的颗粒在干燥烘箱中在100干燥24小时，并冷却，在真空室中，在1小时室温。2.3改性后的二氧化钛纳米粒子表面的表征 接枝效率和改性纳米TiO2的热行为纳米颗粒通过热重量分析来确定（Perkin-Elmer公司热分析仪，英国）。接枝效率（例如）计算为接枝的有机硅烷的质量之比，并TiO2纳米颗粒在750C的质量如示于下公式：例如：（）=毫秒mTiO2100（1）衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR，珀金埃尔默谱100系列，UK）进行了分析，相对于改性的TiO2纳米颗粒的表面上的组合物。颗粒的流体动力学直径和Zeta电位为pH值的函数是由纳米激光粒度仪ZS测量（马尔文仪器，英国）在25C。TiO2纳米颗粒的光催化活性试验作为浆料（0.5克/升）的100毫升模型污染物溶液，磁下搅拌（600转），在与空气（45分米3 /小时），在室温下鼓泡。染料孔雀绿水溶液（MG，10-5 M）用作模型的污染物。经过30分钟的“黑暗”的平衡期间，该系统照射用UV灯（Sylvania的，18瓦BLB T8，排放在345-400nm区域，最大为365纳米）坐落在15厘米。3.结果与讨论3.1接枝效率APTMS和IPTMS对二氧化钛纳米粒子的嫁接过程面示于图1.不同的反应温度，时间和硅烷偶联剂以二氧化钛的重量比具有一个显著影响接枝效率。如图2和3可以看到的，APTMS对TiO2纳米粒子的接枝效率提高缓慢增加的温度和时间，其中的两种情况下其他变量固定的。这可以通过在略微进行说明反应温度和时间对水解速率的影响和APTMS程度。在IPTMS而言，接枝效率为比APTMS的要高得多。在这个接枝效率该案不仅受水解，也显著通过IPTMS分子的缩合反应。由于高反应性的异氰酸酯基（NCO）的硅烷醇基团（R3SiOH）由水解生成的，交联的网状结构被创建上的TiO2纳米颗粒通过IPTMS的缩合反应分子，如图所示4.然而，一旦NCO基团反应的与水形成NH2基团和CO2中，连续缩合水解IPTMS分子的反应被终止，以延长交联网络结构。因此，该NH 2基团的表面的IPTMS接枝纳米TiO2（二氧化钛）只存在在粒子表面的最外层。不过，相比用从20C到80C中所示的增加的接枝效率。图3有4小时后没有增通过延长反应时间，即使是一个略有下降，在16小时。这可能是由于这样的影响不大引起反应时间对缩合反应的活性和水解在很长一段时间的反应后所形成的酯键的.APTMS水平的接枝效率断在反应物在100左右的比例从1.7加薪至2.4之后，但IPTMS的是成正比的比率从3.6增加至27.4。这可能是由于所产生的交联的网状结构通过IPTMS的表面上的缩合反应二氧化钛纳米粒子。对接枝率略有增加APTMS接枝纳米二氧化钛（A-二氧化钛）可以归因于的空间位阻和OH基团的低浓度二氧化钛纳米粒子表面14。为了便于讨论，在下面的文章中，二氧化钛纳米粒子的不同反应的样本代码比率详述于表1中。图1有机硅烷化学接枝到二氧化钛纳米粒子的表面表1 二氧化钛纳米粒子的示例代码反应物的比例（）示例代码APTMS 示例代码IPTMS12.5A-TiO2-0I-TiO2-025A-TiO2-1I-TiO2-150A-TiO2-2 I-TiO2-2100A-TiO2-3 I-TiO2-3 200A-TiO2-4 I-TiO2-4 接枝率/ 温度图2反应温度对改性TiO2的接枝效率的影响纳米颗粒（16小时反应时间和12.5的反应物比例） 接枝效率/反映时间/h图3 反应时间对修饰二氧化钛纳米粒子的接枝效率的影响（80反应温度和12.5的反应物比例）。图4由凝结在二氧化钛纳米粒子创建交联网络结构APTMS和IPTMS分子的反应3.2热分析到为了估计在纳米粒子的硅烷偶联剂的量面，将样品在不同通过TGA技术分析反应条件。在分析过程中，该温度是凸起100800C以10在空气中的加热速率接枝效率反应物的比例图5反应物比对修饰二氧化钛纳米粒子的接枝效减重温度 图6.TGA曲线（一）未经处理的二氧化钛纳米粒子，（B）A-TiO2-3及（c）I-TiO2-3。图6显示了TGA曲线未经处理的二氧化钛纳米粒子（UTiO2）和那些对待A-TiO2和I-二氧化钛在80C，16小时的反应时间和100的反应物的比例。如可以从曲线中可以看出，未经处理的二氧化钛纳米粒子相对在空气中稳定，只有轻微分解。 100C和160C之间的轻微的重量损失这可能是由于水的汽化物理吸附在二氧化钛纳米粒子的表面。从340C至420C，重量损失可以归因于从俄亥俄州的缩合形成的水在颗粒表面或者在的硅烷醇基团的OH基团A-二氧化钛或I-二氧化钛15。 OH基团中的U型二氧化钛限量的颗粒表面只就重量损失的影响很小。而且，下跌不是为A-二氧化钛显著，因为只有一小存在于接枝APTMS分子硅烷醇基的量的粒子表面;然而，出现了在一个显着下降予二氧化钛引起的大量OH基的情况下的硅烷醇基团在表面的网状结构。此外，还可以发现从曲线（b）和（c）该尖锐减重开始邻近300C，并继续直到670C，这可以归因于一个大规模的有机硅烷的氧化热分解链16。3.3红外光谱如图可以看到的在图7和图8中，透射FTIR光谱APTMS，IPTMS，A-二氧化钛，I-TiO2和U-二氧化钛被证明。从A-二氧化钛的光谱，I-TiO2和U-二氧化钛，低于700cm-1的高峰，它被分配到钛和二氧化钛的钛钛合13因为它们在饱和吸收在这种情况下被忽略。吸收的水的伸缩振动以及表面羟基（OH）的二氧化钛纳米颗粒呈现由3400之间的宽吸收带被证实和3200cm-1和1640cm-1的低强度峰13。后通过两种类型的有机硅烷表面改性，如呈现在A-TiO2和I-二氧化钛，在非对称和对称的频谱拉伸CH键的振动亚甲基分别为在2928cm-1和2870cm-117观察。此外，该峰对应以硅Si键观察到周围1040cm-1表示的硅烷醇基团之间的缩合反应17。Si的澳思债券在我二氧化钛的峰值明显低于强得多A-氧化钛，这是相一致的结果与接枝效率改性的纳米粒子。透射 波数/厘米图7二氧化钛纳米粒子的8红外光谱：（一）IPTMS，（B）I-TiO2-3及（c）U-二氧化钛 透射 波数/厘米图8二氧化钛纳米粒子的8红外光谱：（一）IPTMS，（B）I-TiO2-3及（c）U-二氧化钛如图7b中，NH弯曲振动的主振动胺（NH 2），观察到在该区域宽频带1605年至1560年-1，并且在肩部另一低强度峰1140cm-1的二氧化钛峰被分配到CN国债13。这些条带的外观显示，胺官能在有机硅烷基团被接枝到改性粒子表面。如图可以看到的。如图8B所示，在1550cm-1的强峰值表示NHCO基团的存在，作为该反应的结果OH基团和异氰酸酯基（NCO）之间，对应到消失NCO基团的峰在2260cm-1中图。图8a18。通过IPTMS，一个非常弱的峰值表面改性后NCO基团被保留在予二氧化钛的光谱。这可以是以NCO基团与OH基团的高亲和力解释的水解IPTMS分子以及在表面的硅烷醇基的二氧化钛纳米粒子。尽管最NCO基团被耗尽时，一定量的OH基团的对应的从所吸收的水检出1640-1强峰与硅醇基存在于修饰纳米粒子的表面。应有以NH 2基团只存在于I-TiO 2的最外层为图4，NH2峰太弱重叠该OH基。Li等人19表明，根据titaniasilica的红外光谱复合在该区域的峰940-910cm-1被分配以钛澳思的伸缩振动峰。此外，Ukaji等17。声称的峰值在约920cm-1所表示的缩合硅烷醇基团和表面羟基之间的反应组纳米TiO2。因此，出现了两种谱（图7b和图8b）中，由于残留的（未反应的）和物理经洗涤和离心除去吸附APTMS分子分离，提到山峰展示成功的硅烷偶联剂的官能基团的表面接枝TiO2纳米颗粒和有机硅烷的化学结合的到纳米粒子表面通过钛键实现。3.4 Zeta电位和大小如可以看到的图9，由两个颗粒表面改性后硅烷偶联剂，改性二氧化钛纳米粒子的电位显著增加，这是由NH2基团所引起出现在改性纳米颗粒表面的最外层。由质子产生的增加正电荷NH2的基团，导致在其正的Zeta电位的上升高原在酸性区域。另外，由于该碱性特性NH2基团，等电点（IEP）的改性的二氧化钛纳米粒子被转移了大约从pH值6.4至pH值9.4。这表明，二氧化钛纳米颗粒的表面性质表面改性后的巨大变化。A Zeta电位/ MV 酸碱度b Zeta电位/ MV 酸碱度图9 不同的修饰二氧化钛纳米粒子作为pH值的函数 Zeta电位：（1）U-TiO2和A-二氧化钛，（B）U-TiO2和I-二氧化钛。a 平均流体力学直径/ nm的 酸碱度b 平均流体力学直径/ nm 酸碱度 图10 TiO 2纳米颗粒作为pH的函数的10平均流体动力学直径：（一）U-TiO2和A-二氧化钛，（B）U-TiO2和I-二氧化钛。在图10表示平均流体动力学直径的原始和改性TiO2纳米粒子作为pH的函数。随着pH值的升高至等电点，有一个显着增加的平均流体动力学直径。这是由于纳米粒子的zeta电位的逐渐下降导致的改善颗粒聚集。 电位可以用作的粒子表面电荷的定性的信息，作为参数影响分散体的稳定性。最大直径，大约等电点获得。在此之后，该粒径与上升的pH值可以是减小通过增加负电位说明。根据该结果，很明显，以表明由两个表面改性硅烷偶联剂显著降低了颗粒尺寸和正面影响TiO 2纳米颗粒的分散稳定性的酸性区域。一个有效的静电力由质子NH2的改进粒子表面基团起到了重要的作用，以产生斥力与其他粒子20。a 量/ 直径/ nmB 强度/ 直径/ nm图11 U-TiO2和A-TiO2-2在pH值5.70.211.尺寸分布：（一）volumedistributionand（二）强度分布。为了进一步研究表面改性的效果对二氧化钛纳米颗粒的大小分布，对比U型二氧化钛和A-TiO2-2用作本研究的一个例子。两体积和强度分布（图11a和b）表明，该A-TiO2-2大小分布更均匀比U-二氧化钛在pH值5.70.2。多分散指数的平均值（PDI）直径A-TiO2-2（0.19）的还低得多的U-二氧化钛（0.46）。这可以通过较高的电位的情况下进行说明对A-TiO2-2。 3.5光催化活性TiO2纳米颗粒的光催化活性的速率常数使用依赖性LN（C / C 0）/ t，其中t是计算光照时间，C0为污染物的初始浓度，和C是污染物在不同光照时间的浓度。随着有机硅烷比率为0200，有其余污染物浓度在略有增加如图各种照明次。图12A以及轻微的TiO2光催化活性的速率常数下降显示图13.与这些相比，我二氧化钛的变化更显著，因为它可以在图12b和13可以看出，这是由于表面我二氧化钛纳米粒子被认为是全面覆盖交联网络结构，但对于部分A-二氧化钛，这表明用改性TiO2的接枝效率的好协议纳米粒子。因为在粒子表面的被覆层的改性后，负电子，通过吸收形成紫外线照射二氧化钛纳米粒子，分别为智障和阻碍向与氧分子反应，以形成超氧化物阴离子（O2- ）。因此，有机化合物的降解率降低。此外，污染物的吸附率是浓度MG的吸附后，表面上二氧化钛纳米粒子如图中所示的30分钟的平衡周期。下降之前，该是纳米颗粒的直径成反比。当TiO2纳米颗粒的质量是相同的，较小的直径TiO 2纳米颗粒，较大的总表面积而导致的加大对污染物的吸附率颗粒表面。a c/c0 时间/minb c/c0 时间/min图12污染物是：（a）A-TiO2和（b）本人TiO2光降解的12集中度纳米颗粒作为照明时间的函数速率常数/10-3.min 污染物吸附率/ 有机硅烷率/（重量）图13二氧化钛的pH值nanoparticlesat6.00.3光催化速率常数和污染物吸附速率四 结论在这项研究中，表面改性的硅烷的效果对二氧化钛纳米粒子的表面性质偶联剂调查得出结论：改性TiO2纳米粒子的接枝效率在不同的反应条件下进行了计算通过热重分析。二氧化钛接枝效率高得多比为A-二氧化钛，这是由在I-二氧化钛表面产生大交联网状结构影响的。红外光谱证实有机官能团被接枝到二氧化钛纳米粒子表面都为A-TiO2和钛通过澳思I-二氧化钛化学键。二氧化钛纳米粒子的表面改性后，改性二氧化钛纳米粒子的IEP是从大约转移pH值为6.4至pH为9.4，zeta电位显著增加是将其用NH 2基团的质子化解释在酸性区域。该显著减少粒子的流体力学直径和PDI，表示粒子的分散稳定性通过增加粒子的Zeta电位。随着有机硅烷比率为0200，速率常数A-TiO2光略有下降活性和迅速下降的I-氧化钛，这是显著依赖于接枝效率。致谢我们对此表示感谢COST行动D43的批准号短期科研任务270611-008436开展，在索非亚大学“圣研究克里门特Ohridski”。我们也非常感谢彼得Kralchevsky教授的支持和提出宝贵的意见。参考文献1 R. 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