«Зеленый» метод синтеза наночастиц оксида кобальта(II,III) с улучшенной поверхностной активностью

Цели. Разработать новый «зеленый» метод синтеза наноразмерных материалов оксида кобальта(II,III) с улучшенной поверхностной активностью, используя неопасные для окружающей среды прекурсоры и растворители.

Методы. Предложен новый метод выделения наноразмерных частиц Co₃O₄ с высоко-развитой поверхностью. В качестве матриц впервые применены природные сахариды ― гликоген, сахароза и глюкоза. В роли экологически чистого растворителя на всех стадиях процесса используется вода. Полиморфный состав синтезированных образцов определяли с помощью рентгенофазового анализа. Морфологию полученных кристаллитов изучали по микрофотографиям оксидных фаз. Для измерения размера наночастиц использовалось программное обеспечение Image Pro Plus 6. Поверхностную активность выделенных образцов изучали методом Брунауэра–Эммета–Теллера и методом Ленгмюра. Для определения диаметра, объема и распределения пор применялся метод Баррета–Джойнера–Халенды.

Результаты. Размеры кристаллитов синтезированных образцов составляют 23, 36 и 30 нм для матриц глюкозы, гликогена и сахарозы соответственно. Изотермы адсорбции– десорбции для образцов, полученных на основе комплексов глюкозы и сахарозы, соответствуют IV типу, что свидетельствует о сильном взаимодействии между адсорбентом и адсорбированным образцом. Изотерма для образца, выделенного на основе комплекса с гликогеном, относится к другому типу и, скорее всего, указывает на то, что этот образец почти полностью мезопористый. Радиус пор составляет 1.2–1.6 нм.

Выводы. Разработан новый «зеленый» метод синтеза наноразмерных частиц оксида кобальта(II,III) с использованием природных сахаридов и деионизированной воды. Исследованы состав, морфология, строение и поверхностная активность полученных образцов. Показано, что природные сахариды благодаря полимерной структуре их металлокомплексов и способности связывать активный углерод на поверхности нано-частиц, могут быть использованы в качестве матриц при синтезе наноразмерных оксидов металлов с большой поверхностной активностью.

1. Sindhwani S., Chan W.C.W. Nanotechnology for modern medicine: next step towards clinical translation. J. Intern. Med. 2021;290(3):486–498. https://doi.org/10.1111/joim.13254

2. Cao Y., Li S., Chen J. Modeling better in vitro models for the prediction of nanoparticle toxicity: a review. Toxicol. Mech. Methods. 2021;31(1):1–17. https://doi.org/10.1080/15376516.2020.1828521

3. Hsu J.C., Nieves L.M., Betzer O., Sadan T., Noël P.B., Popovtzer R., Cormode D.P. Nanoparticle contrast agents for X-ray imaging applications. WIREs Nanomed. Nanobiotechnol. 2020;12(2):e1642. https://doi.org/10.1002/wnan.1642

4. Temizel-Sekeryan S., Hicks A.L. Global environmental impacts of silver nanoparticle production methods supported by life cycle assessment. Resour. Conserv. Recycl. 2020;156:104676. https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2019.104676

5. Makhlouf S.A. Magnetic properties of Co3O4 nanoparticles. J. Magn. Magn. Mater. 2002;246(1–2):184–190. https://doi.org/10.1016/S0304-8853(02)00050-1

6. Wang R.M., Liu C.M., Zhang H.Z., Chen C.P., Guo L., Xu H.B., Yang S.H. Porous nanotubes of Co3O4: Synthesis, characterization, and magnetic properties. Appl. Phys. Lett. 2004;85:2080–2082. https://doi.org/10.1063/1.1789577

7. Rashad M., Rüsing M., Berth G., Lischka K., Pawlis A. CuO and Co3O4 nanoparticles: synthesis, characterizations, and Raman spectroscopy. J. Nanomater. 2013;2013:Article ID 714853. https://doi.org/10.1155/2013/714853

8. Lanje A.S., Ningthoujam R.S., Sharma S.J., Pode R.B., Vatsa R.K. Luminescence properties of Sn1–xFexO2 nanoparticles. Int. J. Nanotechnol. 2010;7(9–12):979–988. https://doi.org/10.1504/IJNT.2010.034703

9. Duan X., Huang Y., Agarwal R., Lieber C.M. Single-nanowire electrically driven lasers. Nature. 2003;421:241–245. https://doi.org/10.1038/nature01353

10. Seo Hee J.U., Hong S.K., Jang H.C., Kang Y.C. Fine size cobalt oxide powders prepared by spray pyrolysis using two types of spray generators. J. Ceramic Soc. Japan. 2007;115(1344):507–510. https://doi.org/10.2109/jcersj2.115.507

11. Lou X.W., Deng D., Lee J.Y., Feng J., Archer L.A. Self-supported formation of needlelike Co3O4 nanotubes and their application as lithium-ion battery electrodes. Adv. Mater. 2008;20(2):258–262. https://doi.org/10.1002/adma.200702412

12. Li Y.G., Tan B., Wu Y.Y. Mesoporous Co3O4 nanowire arrays for lithium ion batteries with high capacity and rate capability. Nano Lett. 2008;8(1):265–270. https://doi.org/10.1021/nl0725906

13. Henglein A. Small-particle research: physicochemical properties of extremely small colloidal metal and semiconductor particles. Chem. Rev. 1989;89(8):1861–1873. https://doi.org/10.1021/cr00098a010

14. Hagfeldt A., Grätzel M. Light-induced redox reactions in nanocrystalline systems. Chem. Rev. 1995;95(1):49–68. https://doi.org/10.1021/cr00033a003

15. Zhu X., Bai B., Zhou B., Ji S. Co3O4 nanoparticles with different morphologies for catalytic removal of ethyl acetate. Catal. Commun. 2021;156:106320. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2021.106320

16. Nguyen H., El-Safty S.A. Meso- and macroporous Co3O4 nanorods for effective VOC Gas sensors. J. Phys. Chem. C. 2011;115(17):8466–8474. https://doi.org/10.1021/jp1116189

17. Li L.L., Chu Y., Liu Y., Song J.L., Wang D., Du X.W. A facile hydrothermal route to synthesize novel Co3O4 nanoplates. Mater. Lett. 2008;62(10–11):1507–1510. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2007.09.012

18. Li W.Y., Xu L.N., Chen J. Co3O4 nanomaterials in lithium-ion batteries and gas sensors. Adv. Funct. Mater. 2005;15(5):851–857. https://doi.org/10.1002/adfm.200400429

19. Xu R., Hua C.Z. Mechanistic investigation on salt-mediated formation of free-standing Co3O4 nanocubes at 95°C. J. Phys. Chem. B. 2003;107(4):926–930. https://doi.org/10.1021/jp021094x

20. Sun X.M., Li Y.D. Colloidal carbon spheres and their core/shell structures with noble-metal nanoparticles. Angew. Chem. Int. Ed. 2004;43(5):597–601. https://doi.org/10.1002/anie.200352386

21. Sun X.M., Liu J.F., Li Y.D. Use of carbonaceous polysaccharide microspheres as templates for fabricating metal oxide hollow spheres. Chem. Eur. J. 2006;12(7):2039–2047. https://doi.org/10.1002/chem.200500660

22. Hu L.H., Peng Q., Li Y.D. Selective synthesis of Co3O4 nanocrystal with different shape and crystal plane effect on catalytic property for methane combustion. J. Amer. Chem. Soc. 2008;130(48):16136–16137. https://doi.org/10.1021/ja806400e

23. Ковальчукова О.В., Бостанабад А.Ш., Лобанов Н.Н., Рудакова Т.А., Страшнов П.В., Скаржевский Ю.А., Зюзин И.Н. Алкил- и бензилнитрозогидроксиламинаты меди(II) как прекурсоры для синтеза микро- и наноразмерных оксидов меди(I) различной морфологии. Неорган. материалы. 2014;50(11):1183–1188. https://doi.org/10.7868/S0002337X14110098

24. Absalan Y., Fortalnova E.A., Lobanov N.N., Dobrokhotova E.V., Kovalchukova O.V. Ti (IV) complexes with some diphenols as precursors for TiO2 nano-sized catalysts. J. Organomet. Chem. 2018;859:80–91. https://doi.org/10.1016/j.jorganchem.2018.02.002

25. Absalan Y., Kovalchukova O.V., Bratchikova I.G., Lobanov N.N. Novel synthesis method for photo-catalytic system based on some 3d-metal titanates. J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2017;28(23):18207–18219. https://doi.org/10.1007/s10854-017-7769-6

26. Absalan Y., Ryabov M.A., Kovalchukova O.V. Thermal decomposition of bimetallic titanium complexes: A new method for synthesizing doped titanium nano-sized catalysts and photocatalytic application. Mater. Sci. Eng. C. 2019;97:813–826. https://doi.org/10.1016/j.msec.2018.12.077

27. Absalan Y., Gholizadeh M., Butusov L., Bratchikova I., Kopylov V., Kovalchukova O. Titania nanotubes (TNTs) prepared through the complex compound of gallic acid with titanium; examining photocatalytic degradation of the obtained TNTs. Arab. J. Chem. 2020;13(10):7274–7288. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2020.02.023

28. Алабада Р., Авраменко О.В., Исаева Н.Ю., Ковальчукова О.В., Абсалан Я. Комплексные соединения переходных металлов с гидроксиароматическими карбоновыми кислотами как прекурсоры для синтеза наноразмерных оксидов металлов. Изв. АН. Сер. хим. 2020;(5):934–940. https://doi.org/10.1007/s11172-020-2851-2

29. Шварценбах Г., Флашка Г. Комплексонометрическое титрование. М.: Химия; 1970. 360 с.

30. Климова В.А. Основные микрометоды анализа органических соединений. М.: Химия; 1975. 224 с

31. Chernyak S.A., Suslova E.V., Ivanov A.S., Egorov A.V., Maslakov K.I., Savilov S.V., Lunin V.V. Co catalysts supported on oxidized CNTs: Evolution of structure during preparation, reduction and catalytic test in Fischer-Tropsch synthesis. Appl. Catal. A Gen. 2016;523:221–229. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2016.06.012

32. Shrestha S., Wang B., Dutta P. Nanoparticle processing: Understanding and controlling aggregation. Adv. Colloid Interface Sci. 2020;279:102162. https://doi.org/10.1016/j.cis.2020.102162

33. Sathyamurthy R., Kabeel A.E., Balasubramanian M., Devarajan M., Sharshir S.W., Manokar A.M. Experimental study on enhancing the yield from stepped solar still coated using fumed silica nanoparticle in black paint. Mater. Lett. 2020;272:127873. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127873

34. Arani R.P., Sathyamurthy R., Chamkha A., Kabeel A.E., Deverajan M., Kamalakannan K., Balasubramanian M., Manokar A.M., Essa F., Saravanan A. Effect of fins and silicon dioxide nanoparticle black paint on the absorber plate for augmenting yield from tubular solar still. Environ. Sci. Pollut. Res. 2021;28(26):35102–35112. https://doi.org/10.1007/s11356-021-13126-y