CC BY
44
УДК 544.773.422
Штында А.О., Жилина О.В.
СИНТЕЗ И НЕКОТОРЫЕ СВОЙСТВА ГИДРОЗОЛЕЙ ДИОКСИДА ЦЕРИЯ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ НИТРАТОМ ЦЕРИЯ
Штында Антон Олегович, обучающийся кафедры технологии химико-фармацевтических и косметических средств, e-mail: [email protected];
Жилина Ольга Викторовна, к.х.н., доцент кафедры коллоидной химии. Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Россия, Миусская пл., д. 9.
Показана возможность стабилизации гидрозолей диоксида церия нитратом церия(Ш). Получен стабильный гидрозоль CeO2, определены некоторые коллоидно-химические свойства полученной системы, такие как: концентрация дисперсной фазы, область агрегативной устойчивости, размер частиц дисперсной фазы, а также величина и знак электрокинетического потенциала.
Ключевые слова: гидрозоль диоксида церия, наночастицы, агрегативная устойчивость, Z-потенциал.
SYNTHESIS AND SOME PROPERTIES OF CERIUM DIOXIDE HYDROSLOS, STABILIZED BY CERIUM NITRATE
Shtynda A.O., Zhilina O.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia.
Cerium nitrate stabilized hydrosol of cerium dioxide was synthesized, some colloid-chemical properties of obtained system were determined, such as disperse phase concentration, area of aggregative stability, particle size, value and sign of zeta potential.
Keywords: cerium dioxide hydrosol, nanoparticles, aggregative stability, Z-potential.
За последнее время опубликовано много работ, посвященных получению материалов на основе различных соединений церия [1, 2]. Это связано с уникальными характеристиками соединений данного элемента. Диоксид церия находит применение в противокоррозионных покрытиях, входит в состав катализаторов селективного окисления и дегидрогенизации. В настоящее время ведутся исследования возможности использования нанодисперсного диоксида церия в косметике, благодаря его способности нейтрализовать свободные радикалы [2]. В представленной работе был получен гидрозоль диоксида церия, стабилизированный нитратом церия, и изучены некоторые его свойства.
Золь диоксида церия был синтезирован путем химического осаждения [3]. В ходе синтеза использовались следующие реактивы: нитрат церия Се(К03)36Н20 и водный раствор аммиака КН3. Все реактивы марки "х.ч.". Синтез гидрозоля проводился следующим образом: к водному раствору нитрата церия приливали рассчитанное количество водного раствора аммиака при интенсивном перемешивании. Выпавший осадок промывался дистиллированной водой, после чего к осадку добавляли рассчитанное количество нитрата церия (III) и диспергировали его под действием ультразвукового поля до образования опалесцирующего золя. Полученная система являлась агрегативно устойчивой, по меньшей
pH
мере, в течение 6 месяцев. свежеприготовленного золя составил 4,5.
Концентрация дисперсной фазы является одной из важнейших характеристик гидрозоля. В отношении исследуемой системы определение содержание твердой фазы проводили термогравиметрическим методом, прокаливая сухой остаток при температуре 650°С.
Концентрация дисперсной фазы составила 0,769 % масс и рассчитывалась по формуле:
ш = ™П х 100%
(1)
где а - концентрация дисперсной фазы золя, % масс;
mП - масса прокаленного тигля;
mЗ - масса тигля с золем;
mС - масса тигля с прокаленным образцом;
Одним из важных параметров дисперсных систем является размер частиц дисперсной фазы. Для синтезированного золя размеры частиц были определены методом динамического
светорассеивания [4,5]. По результатам фотонно-корреляционной спектроскопии, размер частиц оказался равным 21 нм. Данный метод позволяет установить гидродинамический радиус частиц, то есть размер частиц с учетом поверхностных слоев.
Другим важным параметром для таких дисперсных систем, как гидрозоли, является
область агрегативной устойчивости. Данный показатель определялся по зависимости величины оптической плотности D от значения рН дисперсионной среды (рис.1). Измерения оптической плотности проводили
турбидиметрическим методом с помощью фотоэлектроколориметра КФК - 2МП при длине волны падающего света 440 нм [6], величину рН дисперсионной среды определяли с помощью прибора pH-meter HI фирмы «HANNA».
0 12 3 4 5 6 7
рН
Рис.1. Область рН агрегативной устойчивости гидрозоля диоксида церия
Область устойчивости определялась как участок зависимости, где изменение оптической плотности отсутствовало или было незначительным. Это соответствует области рН в интервале 1,6-5,3. При уменьшении рН дисперсионной среды ниже 1,6 оптическая плотность исследуемой системы повышается. В данной области рН повышается ионная сила дисперсионной среды, что приводит к коагуляции системы. Начиная с рН 5,3, также наблюдается увеличение оптической плотности золя, что свидетельствует о протекании агрегации частиц Се02. Повышение рН приводит к агрегации частиц вследствие снижения величины положительного заряда на них. Данный золь агрегативно устойчив в более широком интервале рН, чем золь церия, пептизированный азотной кислотой.
Характер зависимости оптической плотности от величины рН свидетельствует о том, что в обеспечении агрегативной устойчивости данной системы значительную роль играет электростатический фактор. Силы
электростатического отталкивания зависят как от толщины диффузного слоя, так и от его толщины, поэтому величина рН и наличие электролитов оказывают большое влияние на них.
Далее были определены знак и величина электрокинетического потенциала частиц дисперсной фазы гидрозоля диоксида церия. Измерения проводились методом
электрофоретического рассеивания света с помощью анализатора размеров частиц и дзета-потенциала Photocor Сотрас^ [4, 5]. Была получена зависимость ^-потенциала от величины рН дисперсионной среды в области агрегативной устойчивости исследуемой системы (рис.2).
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0
рН
Рис.2. Зависимость {-потенциала от величины рН дисперсионной среды гидрозоля диоксида церия
Установлено, что во всем диапазоне значений рН агрегативной устойчивости частицы золя заряжены положительно (перемещение к катоду) и с ростом рН величина потенциала снижается.
Еще одно важное свойство дисперсных систем - устойчивость в присутствии электролитов. Для ее определения была получена зависимость критической концентрации коагуляции золя при введении нитрата натрия от величины рН дисперсионной среды (рис.3). Исследование проводили турбидиметрически при длине волны проходящего света 440 нм. Измерение оптической плотности проводили через 1 минуту после смешения раствора электролита с золем.
i 0,03-
2,0
3.5
4,0
4.5
pH
Рис.3. Зависимость величины критической концентрации коагуляции золя в присутствии нитрата натрия от величины pH дисперсионной среды
Критическая концентрация коагуляции золя возрастает с понижением величины рН дисперсионной среды, из чего можно сделать вывод о том, что в кислой области золь обладает большей агрегативной устойчивостью.
Аналогичная зависимость была получена при использовании сульфата натрия в качестве электролита. Сравнением критических
концентраций коагуляции при одинаковых значениях рН было установлено, что коагуляция в присутствии сульфата натрия происходит при намного меньших концентрациях электролита (скрКаК03/скрКа^04 = 70). Данное соотношение указывает на то, что коагуляция золя протекает по концентрационному механизму.
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы: был получен агрегативно устойчивый гидрозоль диоксида церия. Добавление нитрата церия (III) приводит к повышению агрегативной устойчивости золя по сравнению с золем, пептизированным азотной кислотой [3]. Для синтезированного золя были определены некоторые коллоидно-химические характеристики.
Список литературы
1. Щербаков А.Б., Жолобак Н.М., Иванов В.К., Третьяков Ю.Д., Спивак Н.Я. Наноматериалы на основе диоксида церия: свойства и перспективы использования в биологии и медицине. // Biotechnologia acta. 2013. Т. 4. № 1. С. 9 - 28.
2. I. Selestin Raja, N. Duraipandi, Manikantan Syamala Kiran and Nishter Nishad Fathim. An emulsion of pigmented nanoceria as a medicinal cosmetic. // RSC Advances. 2016. № 6. P. 100916 - 100924.
3. Антонова А.А., Жилина О.В., Каграманов Г.Г. и др. Синтез и некоторые свойства гидрозолей диоксида церия. // Коллоидный журнал. 2001. Т. 63. С. 729.
4. Finsy R. Particle sizing by quasi-elastic light scattering. // Advances in Colloid and Interface Science. 1944. № 52. P. 79-143.
5. Сайт компании производителя приборов динамеческого светорассеяния [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.photocor.ru/zeta-potential-analyzer (дата обращения 20.05.2017).
6. Назаров В.В., Гродский А.С., Моргунов А.Ф., Шабанова Н.А., Кривощепов А.Ф., Колосов А.Ю. Практикум и задачник по коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебное пособие для вузов. // М. : ИКЦ «Академкнига». 2007. 374 С.
