Authors:	Gömpel, Dorothea
Title:	Synthesis and characterization of multifunctional metal oxide nanoparticles
Online publication date:	7-May-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	Diese Dissertation ist ein Beitrag zum ständig wachsenden Forschungsgebiet Materialien auf Nanoebene zu beeinflussen, der Nanotechnik. Der Fokus liegt dabei auf dem Design und der Synthese von Übergangsmetalloxidnanopartikeln und deren Charakterisierung mit einer Vielzahl an Methoden wie Röntgendiffraktion und Mikroskopie. Das Interesse an Nanopartikeln basiert auf deren vielfältigen Anwendungsgebieten von der Katal- yse bis zur Nanomedizin, aufgrund ihrer größenabhängigen Eigenschaften sowie des großen Oberflächen-zu-Volumen Verhältnisses. Mehrere neue Synthesevorschriften für Tantal- und Vanadiumoxidnanopartikel mit unterschiedlichen Morphologien und Zusammensetzungen wurden entwickelt. Darüber hinaus wurde der Einfluss verschiedener Reaktionsparameter wie Precursorkonzentrationen, Surfaktanten, Lösungsmittel, Tem- peratur usw. auf die Morphologie der Nanopartikel systematisch untersucht. Im Speziellen wurde eine solvo-/hydrothermale Methode etabliert, die es erlaubt Vanadiumoxidnanopartikel unterschiedlicher Morphologie von Stäbchen und Plättchen bis zu hierarchisch strukturierten seeigelförmigen Partikeln zu erhalten. Der Einfluss des Lösungsmittels auf die Form wurde gründlich untersucht. Da Vanadium im aktiven Zentrum von Enzymen wie Peroxidasen verbreitet ist, wurde die Rolle der Vanadiumoxidnanopartikel als Peroxidasemimetika mit 2,2 ·-Azino-bis(3-ethylbenzothiazolin-6-sulphonsäure) (ABTS) als Substrat in der Gegenwart von H2O2 getestet. Die katalytische Aktivität wurde mit der Oberfläche und Morphologie der Partikel in Verbindung gesetzt. Es zeigte sich, dass alle untersuchten Vanadium(IV)oxide Peroxidasereaktionen katalysieren, wobei die seeigelförmigen Partikel die höchste Aktivität besitzen, da diese die größte Oberfläche haben. Darüber hinaus wurden nanometergroße Ta2O5-Stäbchen und MTaO3 (M=Na, K, Rb)- Würfel hydrothermal synthetisiert, wobei insbesondere der Einfluss des pH-Wertes auf die Morphologie sowie die Kristallinität untersucht wurde. Niedrige und neutrale pH-Werte führten zu stäbchenförmigen Tantaloxidnanopartikeln. Bei hohen Basenkonzentrationen wurden würfelförmige Tantalatnanopartikel mit einer Pyrochlorstruktur erhalten. Der Pyrochlor zeichnet sich durch ein tunnelförmiges Strukturmotiv aus, welches einen vollständigen Ionenaustausch von Alkalimetallionen durch H+ unter Erhalt der Morphologie erlaubte. Die untersuchten Nanopartikel haben vielversprechende photokatalytische Eigenschaften. Mesoporöse Materialien sind von großem Interesse, da sie aufgrund ihrer porenförmigen Struktur über eine große Oberfläche verfügen. Aus diesem Grund wurden kugelförmige mesoporöse Tantaloxidnanopartikel (mTa2O5) mit einer großen Oberfläche und einer engen Porengrößenverteilung templatfrei unter Ausnutzung eines Selbstorganisations (self- assembly)-Prozesses synthetisiert. Durch das Tempern der mTa2O5 Nanopartikel erweiterten sich deren Poren und die Nanopartikel kristallisierten. Anschließend wurden Palladiumnanopartikel mit einer Ultraschallsynthese auf den mTa2O5 angebracht. Dabei wurden die Palladiumnanopartikel über Aminogruppen an die Oberfläche der mTa2O5 unter Ausnutzung der ähnlichen Pearsonhärte aufwachsen gelassen. Für die Aminfunktion- alierung wurde ein Amin mit einer Silangruppe, namentlich 3-Aminopropyltriethoxysilan (APTES), kovalent an die Tantaloxidoberfläche gebunden. Tantaloxidnanopartikel können darüber hinaus als Kontrastmittel für die Computertomographie genutzt werden. Um diese Nanopartikel auch als Magnetresonanztomographie (Magnetic Resonance Imaging, MRI) einsetzen zu können, wurden die mTa2O5 mit verschiedenen Konzentrationen paramagnetischer Ionen, oder genauer Gd3+, dotiert. Zwecks Biokompabilität und Wasserlöslichkeit wurden die mTa2O5:Gd mit Methoxy(poly- ethylenoxy)propyltrimethoxysilan (PEG-TES) und Aminopropyltriethoxysilan (APTES) funktionalisiert, während letzteres auch dafür genutzt wurde weitere Funktionalitäten wie Farbstoffe anzubinden. Es konnte gezeigt werden, dass mTa2O5 simultan als MRI- und CT-Kontrastmittel verwendet werden kann, wobei die beste MRI-Kontrastverstärkung bei niedrigen Gd3+-Konzentrationen auftrat. This thesis is a contribution to the rapidly evolving area of research, manipulating materials at the nanoscale, called nanotechnology. It focuses on the design and synthesis of transition metal oxide nanoparticles and characterizing them using various methods involving like X-ray spectroscopy and microscopy. The interest in the synthesis of nanoparticles stems due to the fact that nanparticles show enhanced applications in various fields ranging from catalysis to nanomedicine because of their size dependent properties and their high surface-to-volume ratio. Several novel synthetic protocols for tantalum and vanadium oxide nanoparticles with different morphologies and com- positions were developed. In addition, the influence of the reaction parameters like precursors concentrations, surfactants, solvent, temperature etc. on the morphology of the nanoparticles were investigated systematically. In particular, a solvo-/hydrothermal method was established to get vanadium oxide nanoparticles with different morphologies ranging from rods, sheets to hierarchically structured urchin-like particles. The influence of the solvent on the nanoparticle morphology was thoroughly investigated. As vanadium is present in the active center of several enzymes including peroxidase, vanadium oxide nanoparticles were tested for their role as a peroxidase mimicking using 2,2·-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid) (ABTS) as a substrate in the presence of H2O2. The catalytic activity was related to the surface area and structure of the nanoparticles. All investigated vanadium(IV) oxides showed peroxidase-like activity, however, whereas urchin-shaped nanoparticles had the highest activity due to their high surface area. In addition, nanosized Ta2O5 rods and MTaO3 cubes (M =Na, K, Rb) were synthesized hydrothermally especially exploring the influence of the pH on their morphology as well as on crystallinity. Low and neutral pH values favored rod-shaped tantalum oxide nanoparticles. High base concentrations resulted in cube-shaped tantalate nanoparticles with a pyrochlore structure. The pyrochlore structure is characterized by a tunnel structural motive that allowed a complete ion exchange of the alkali metal ions for H + while retaining their morphology. Those nanoparticles showed promising photocatalytic properties. Furthermore, mesoporous materials are highly desirable with their high surface areas due to their porous structure. On this account, spherical mesoporous tantalum oxide (mTa2O5) nanoparticles with high surface areas and a narrow pore size distribution were synthesized using a template free approach utilizing self-assembly process. The heat treat- ment of the mTa2O5 allowed to expand the pores as well as to crystallize the nanoparticles. Palladium nanoparticles were grown onto the mTa2O5 in a sonochemical reaction. The palladium nanoparticles are linked to the surface of the mTa2O5 via amine groups exploiting the Pearson hardness matching. For amine functionalization the mTa2O5 surface was coated with an amine bearing silane, 3-aminopropyltriethoxysilane (APTES). Tantalum oxide nanoparticles can also be employed as contrast agents for X-ray com- puted tomography. In order to expand the contrast enhancement to magnetic resonance imaging (MRI) the mTa2O5 nanoparticles were doped with varying concentrations of paramagnetic ions, namely Gd3+. For biocompability and water solubility the mTa2O5:Gd nanoparticles were functionalized with methoxy(polyethyleneoxy)propyltrimethoxy silane PEG-TES and APTES whereas the latter enabled the introduction of further functional- ities like dyes. It was confirmed that the mTa2O5:Gd can simultaneously act as MRI and CT contrast agents, whereby the best MRI contrast enhancement was realized for low Gd3+ percentages.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2665
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000019831
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	XXIV, 151 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen