Studium vlivu surfaktantu na povrchový náboj nanokrystalů

Úkol

Studujte závislost povrchového náboje nanokrystalů oxidu železitého v závislosti na surfaktantu.

Úvod

Pokud je pevná látka ponořena do polárního elektrolytu, mohou na jejím povrchu nastat různé procesy - preferenční adsorpce a dissoluce určitých iontů, substituce povrchových iontů, akumulace nebo rozptýlení elektronů na povrchu, fyzikální adsorpce nabitých látek apod. Tyto procesy vedou ke vzniku nenulové hustoty povrchového náboje a tedy elektrochemického potenciálu. Vzhledemzaměření této práce na oxidické materiály, je nutné zmínit, že u těchto materiálů vzniká povrchový náboj především dissolucí a depozicí iontůroztoku (při změně pH především H3O+ a OH-). Tato charakteristika je nazývána „zetapotenciál a udává tedy jak velký je elektrostatický potenciál na povrchu krystalitů. Bod pH, kdy je zeta potenciál nulový, je označován p.z.c. (z anglického „point of zero charge“) – tedy bod nulového náboje.* Pokud je pH solu krystalitů vetší než p.z.c., je povrch oxidu pokryt záporně nabitými OH skupinami. Pokud je pH nižší než p.z.c., je H+ iont ten, který zapříčiňuje kladný povrchový potenciál.Nernstovy rovnice lze snadno odvodit vztah pro výpočet zeta potenciálu E:

kde R je univerzální plynová konstanta, T absolutní teplota a F je Faradova konstanta. Pro pokojovou teplotu se vztah ještě zjednodušit:

Přehled p.z.c. některých oxidických materiálů podává tabulka Tab. 1.

      Tabulka 1.  P.z.c. vybraných oxidických látek

Materiál

p.z.c.

Materiál

p.z.c.

SiO2

2,5

Fe2O3

8,6

TiO2

6

Al2O3

9

 

Bod p.z.c. není u téhož materiálu za všech okolností stejný, záleží např. na metodě přípravy, modifikaci povrchu nebo kalcinaci (p.z.c. nekalcinovaného TiO2 je 6, zatímco kalcinovaného 3,2).

Postup

V prvním kroku připravte vzorek nanočástic oxidu železitého. Příprava vychází ze srážecích reakcí solí železnatých a železitýchpoměru 1:2 jako při precipitaci magnetitu. Jednoduchý příklad syntézy magnetitu je z roztoků  FeCl2 a FeCl3 vysrážených roztokem amoniaku. Magnetit je ale ve formě ferofluidu nestálý a oxiduje se na maghemit, např. v kyselém vodném roztoku. Nanokrystaly magnetitu připravte následujícím postupem. 10,01 g  (36 mmol) FeSO4·7H2O a 8,08 g (20 mmol) Fe(NO3)3·9H2O rozpusťte v 50 ml destilované vody. Tento roztok pomalu přidejte k 400 ml bazického roztoku amoniaku. Směs míchejte 30 minut a dekantujte. Poté adjustujte pH na 2 , a přidejte 4g citronanu sodného a ponechejte 30 minut. V mezičase lze přejít k měření zeta potenciálu poskytnutých vzorků nanočástic oxidu železitého pokrytých karboxymethyldextranem, polyethyleniminem a kyselinou dimerkapto- jantarovou.

Před jednotlivými měřeními vzorky opakovaně přefiltrujte přes injekční filtra. Získané hodnoty komentujte.

Detailní informace o práci s přístrojem ZetaSizer a autotitráorem jsou uvedeny v Příručce pro uživatele. Dbejte pokynů vyučujícího a v případě nejasností během provádění experimentů kontaktujte vyučujícího.

a Všechny kapaliny používané pro zředění vzorku (dispergovadla a rozpouštědla) se musejí před použitím filtrovat, abyste se vyvarovali kontaminace vzorku. Velikost filtru bude určená odhadovanou velikostí vzorku. Je-li vzorek 10 nm, pak prach o velikosti 50 nm bude důležitou kontaminující látkou v dispergovadle. Vodná dispergovadla se mohou filtrovat na 0,2 µm, zatímco nepolární dispergovadla se mohou filtrovat na 10 nebo 20 nm. Vzorky se nefiltrují, pokud je to vůbec možné. Filtry mohou odstranit vzorek absorpcí stejně jako fyzikální filtrací. Vzorek filtrujte pouze tehdy, jste-li si vědomi částic větších velikosti, jako aglomeráty, které je potřeba odstranit, protože nejsou důležité, nebo způsobují kolísání výsledků.