Synthesis and characterization of multifunctional metal oxide nanoparticles
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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.