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Title: The role of inverse nonionic microemulsion in the synthesis of SiO2 nanoparticles
Authors: Savko, Nina
Keywords: NMRDOSYacid catalysisbasic catalysissol-gel processIgepalTEOSCu2+ doped nanoparticlesCo2+ doped nanoparticles
Issue Date: 5-Apr-2011
Publisher: Università degli studi di Trieste
Abstract: Nanosized inorganic particles constitute a field of rapidly growing interest and their tailored synthesis is currently subject of intense study. These particles may show unique properties that are not shared by bulk materials and therefore find a palette of innovative applications, e.g., as diagnostic means, or in drug and even gene delivery, offering the advantage over polymer nanoparticles because they are stable, biologically inert, biocompatible and it is easy to introduce functional groups by modification of the surface hydroxyls. Among various synthetic routes the most explored are the ones carried out in bulk, especially the Stöber synthesis, however the final product are mostly polydisperse particles whose size is difficult to control. On the other hand, w/o microemulsion is providing suitable environment for the control of the particle nucleation and growth kinetics, as the nanodroplets of water are nanoreactors for the synthesis. The main advantage is that the procedure does not require extreme conditions of temperature and pressure and the particle size and shape can be controlled simply by controlling the microemulsion parameters where the most important are the water-to-surfactant molar ratio, R, and water-to-TEOS molar ratio, h. The previous studies focused on the latter synthetic route, in base-catalyzed systems, concerned mainly the evolution of silica nanoparticles and the best results were achieved by SAXS. The volume fraction versus time data gave an insight into nucleation and growth and is in agreement with first order kinetics with respect to TEOS concentration. However, we wanted to understand better the environment in which the synthesis takes place and shed light on the evolution of the soluble species, both of the constituents of the microemulsion and of those taking part to reaction. The soluble species present in the reaction mixture that leads to silica nanoparticle production through the base catalyzed hydrolysis of tetraethyl orthosilicate (TEOS) and the successive condensation were investigated in situ, under the actual synthesis conditions, by means of 1H, 13C, and 29Si NMR spectroscopy. The two former nuclei, owing to higher sensitivity and their presence both in the reacting species and in the constituents of the w/o microemulsion (cyclohexane-Igepal CA520 (5 polyoxyethylene iso-octylphenyl ether)-concentrated ammonia solution) afforded insight into the inverse microemulsion and allowed us to assess the kinetic rate of the hydrolysis step. It was verified that the microemulsion microstructure is maintained during the reaction. Special attention was paid to the reaction medium, and an extended assignment of the 1H and 13C resonances of the surfactant head group was performed. These head group signals undergo some changes due to the environmental modifications induced by transition from cyclohexane solution to w/o microemulsion and further to NH3 containing w/o microemulsion. We followed the quantitative evolution of TEOS and EtOH and assessed their preferential distribution in the various environments provided by this, on the mesoscale heterogeneous, reaction medium. Most authors agree that TEOS is localized mainly in the oil however they argue whether EtOH is preferentially in the water-pools or in oil. The clarification was achieved by means of PGSTE NMR since the diffusion coefficients are commonly exploited to characterize microemulsions, to determine the connectivity of the phase and they can be used to obtain the size of water droplets. It was revealed that NH3 exchanges among the inverse micelles diffusing through cyclohexane and confirmed that the preferred localization for ethanol, a byproduct of the reaction, is the bulk oil. Moreover, it was confirmed that TEOS is localized mainly in the oil. The characterization of the final nanoparticles was carried out by means of transmission electron microscopy (TEM) and it was revealed that the final product were monodispersed particles with radius of 20 nm. The synthesis of SiO2 nanoparticles in an acid-catalyzed system is especially interesting from nanotechnological point of view, owing to the different physical nature of silica synthesized under acidic rather than basic conditions, and from an applicative point of view since intended guest species are not always base resistant. Unfortunately, the application of an acid-catalyzed sol-gel process seems less than straightforward. An inverse microemulsion looks like an optimal reaction medium able to limit the growth of silica particles within the nanometer range. However, relatively few studies have been reported to date, and to the best of our knowledge, only one involves the entire process conducted in an inverse microemulsion with a water core that remains stable throughout the course of the reaction. The cyclohexane-Igepal inverse microemulsion, comprehensively established for the synthesis of silica nanoparticles in NH3-catalyzed sol-gel process, was alternatively studied with an acid-catalyzed sol-gel process. TEOS was used as the silica precursor, while two different aqueous phases containing either HNO3 or HCl at two different concentrations, 0.1 and 0.05 M, were examined in the presence and in the absence of NaF, a catalyst of the condensation step. The evolution of the overall reacting system, specifically hydrolysis and polycondensation of reaction intermediates, was monitored in situ by SAXS. No size variation of the inverse micelles was detected throughout the sol-gel process. Conversely, the density of the micellar core increased after a certain time interval, indicating the presence of the polycondensation product. The IR spectra of the reacting mixture were in agreement with such a hypothesis. 1H and 13C NMR measurements provided information on the soluble species, the surfactant, and TEOS. The TEOS consumption was well fitted by means of an exponential decay, suggesting that a first-order kinetics for TEOS transpires in the various systems examined, with rate constants dependent not only on the acid concentration but also on its nature (anion specific effect), on the presence of NaF, and on the amount of water in the core of the inverse micelle. The self-diffusion coefficients, determined by means of PGSTE NMR, proved that a sizable amount of the byproduct ethanol was partitioned inside the inverse micelles. Moreover, the DOSY spectrum contributed to the assignment of the signals of various oligomeric species present in the commercial mixture of Igepal CA520, since the head group, which is a short polyoxyehtylene chain, is somewhat polydisperse. The embedment of Igepal CA520 in an acid-catalyzed inverse microemulsion led to the separation of 1H signals of the various oligomeric components. This ensued from the differential partitioning between the oil and the surface of the inverse micelles, which depends on the ethyleneoxide number (EON) of the head group and the partition degree, between the two environments, for each individual oligomeric species, and afforded further insight into nonionic inverse microemulsions. It was possible to ascertain that the length distribution of the polyethyleneoxide chains is in good agreement with the Poisson distribution theoretically predicted for the polymerization of ethylene oxide. Characterization of the final product was carried out by means of thermogravimetric analysis (TGA), differential scanning calorimetry (DSC), and TEM, which concurrently confirmed that the silica isolated from the inverse nonionic microemulsion is not significantly different from the product of a bulk acid-catalyzed sol-gel synthesis. TEM micrographs illustrated particles with diameters smaller than the diameter of the inverse micelles as determined by SAXS, due to a shrinkage effect, in addition to nanostructured aggregates in the range 20-100 nm. The metal doped silica systems are important for optical applications and if the metal ions are finely dispersed on silica matrix very efficient catalysators can be obtained. The synthesis of silica nanoparticles in HCl-catalyzed inverse microemulsion was carried out in the presence of both Cu2+ and Co2+ ions with the aim to get correspondingly doped nanoparticles. The systems were characterized by means of 1H and 13C NMR and the quantitative evolution of TEOS and EtOH was followed. The introduction of metals in the glass matrix strongly influences their optical visible absorption spectrum so the UV-Vis spectroscopy was applied in the study. The isolated nanoparticles were characterized by means of IR and Raman spectroscopy and their size was determined by TEM. It was demonstrated that inverse micelles can be used to produce Co2+ and Cu2+ doped SiO2 nanoparticles with diameter of about 3 and 4 nm, respectively. Spherical particles smaller than the micellar size and, in the case of Cu2+ doped system, larger, irregularly shaped aggregates with diameter up to 1 μm were observed. Lots of darker zones were observed in the TEM images of some larger particles and aggregates containing Cu and may be assigned to Cu metal particles encapsulated in silica matrix. Therefore, cobalt was successfully doped in silica nanoparticles while copper doping seemed less satisfactory.
Particelle inorganiche di grandezza nanometrica costituiscono un settore di interesse in rapida crescita e la loro sintesi è attualmente oggetto di intenso studio. Queste particelle possono presentare proprietà uniche non condivise da materiali bulk e quindi trovare una vasta gamma di applicazioni innovative, ad esempio, come mezzo diagnostico, o per drug delivery e anche gene delivery, offrendo il vantaggio rispetto nanoparticelle polimeriche di essere stabili, biologicamente inerti, biocompatibili e facilmente funzionalizzabili con gruppi funzionali modificando dei ossidrili superficiali. Tra le varie vie sintetiche più esplorate sono quelle effettuate in bulk, in particolare la sintesi di Stöber, ma il prodotto finale sono particelle per lo più polidisperse la cui dimensione è difficile da controllare. D'altra parte, la microemulsione a/o sta fornendo l'ambiente adatto per il controllo della cinetica di nucleazione e crescita delle particelle, siccome le nanogoccioline d'acqua sono i nanoreattori per la sintesi. Il vantaggio principale è che la procedura non richiede condizioni estreme di temperatura e pressione e la dimensione delle particelle e la forma possono essere controllati semplicemente attraverso il controllo dei parametri di microemulsione tra cui i più importanti sono il rapporto molare acqua-tensioattivo, R, e acqua-TEOS, h. Gli studi precedenti focalizzati su quest'ultima linea sintetica, nei sistemi base-catalizzati, riguardavano principalmente l'evoluzione delle nanoparticelle di silice ed i migliori risultati sono stati raggiunti con SAXS. I dati di frazione di volume in funzione del tempo hanno fornito informazioni sui processi di nucleazione e di crescita e sono in accordo con una cinetica di primo ordine rispetto alla concentrazione di TEOS. Tuttavia, era importante capire meglio l'ambiente in cui la sintesi accade e mettere in luce l'evoluzione della specie solubile, sia dei componenti della microemulsione che di coloro che prendono parte alla reazione. Le specie solubili presenti nella miscela di reazione che porta alla produzione di nanoparticelle di silice attraverso l’idrolisi base-catalizzata di tetraetile ortosilicato (TEOS) e la successiva condensazione sono state studiate in situ, alle condizioni effettive di sintesi, mediante spettroscopia NMR di 1H, 13C, e 29Si. I primi due nuclei, a causa di una maggiore sensibilità e la loro presenza sia nel reagente che nei componenti della microemulsione a/o (cicloesano-Igepal CA520 (5 poliossietilene iso-octilfenil etere)-soluzione di ammoniaca concentrata) hanno offerto una visione della microemulsione inversa e ci hanno permesso di valutare la velocità di idrolisi. È stato verificato che la microstruttura della microemulsione è mantenuta durante la reazione. L’attenzione è stata rivolta particolarmente verso il mezzo di reazione, ed è stata effettuata un’assegnazione estesa delle 1H e 13C risonanze della testa del tensioattivo. Questi segnali della testa subiscono variazioni a causa delle modificazioni ambientali indotte dal passaggio dalla soluzione di cicloesano a microemulsione a/o e in seguito alla microemulsione a/o contenente NH3. Abbiamo seguito l'evoluzione quantitativa del TEOS e EtOH e valutato la loro distribuzione preferenziale nei vari ambienti forniti da questo mezzo di reazione, eterogeneo sulla mesoscala. Molti autori concordano sul fatto che il TEOS è localizzato principalmente in olio. Tuttavia, si dibatte se EtOH si trova preferenzialmente nelle goccioline d'acqua o nell’olio. Il chiarimento è stato realizzato per mezzo di PGSTE NMR in quanto i coefficienti di diffusione sono comunemente sfruttati per caratterizzare le microemulsioni, per determinare la connettività delle fasi e possono essere utilizzati per ottenere le dimensioni delle goccioline d’acqua. È stato rivelato che NH3 scambia tra le micelle inverse diffondendo attraverso il cicloesano ed è stato confermato che la localizzazione preferita per l'etanolo, il sottoprodotto della reazione, è l'olio. Inoltre, è stato confermato che il TEOS è localizzato principalmente nell’olio. La caratterizzazione delle nanoparticelle finali è stata effettuata per mezzo di microscopia elettronica a trasmissione (TEM) ed è stato rivelato che il prodotto finale sono le particelle monodisperse con raggio di 20 nm. La sintesi di nanoparticelle di SiO2 in un sistema con catalisi acida è particolarmente interessante dal punto di vista nanotecnologico, a causa della diversa natura fisica di silice sintetizzata in condizioni acide, piuttosto che in quelle basiche, e da un punto di vista applicativo in quanto le specie ospite previste non sempre sono resistenti alle basi. Purtroppo, l'applicazione di un processo sol-gel catalizzato da acido è meno chiara. Una microemulsione inversa sembra un mezzo di reazione ottimale in grado di limitare la crescita delle particelle di silice alle grandezze nanometriche. Tuttavia, relativamente pochi studi sono stati riportati fino ad oggi, e al meglio delle nostre conoscenze, solo uno riguarda l'intero processo condotto in una microemulsione inversa con un nucleo d’acqua che rimane stabile durante tutto il corso della reazione. La microemulsione inversa cicloesano-Igepal, stabilita per la sintesi di nanoparticelle di silice in processo sol-gel NH3-catalizzato, in alternativa è stata studiata con il processo sol-gel catalizzato da acido. Il TEOS è stato utilizzato come precursore di silice, mentre diverse fasi acquose contenenti HNO3 o HCl a due differenti concentrazioni, 0.1 o 0.05 M, sono state esaminate in presenza ed in assenza di NaF, un catalizzatore della fase di condensazione. L'evoluzione del sistema reagente complessivo, in particolare l’idrolisi e la policondensazione dei intermedi di reazione, è stata monitorata in situ mediante SAXS. Nessuna variazione delle dimensioni delle micelle inverse è stata rilevata durante tutto il processo sol-gel. Al contrario, è aumentata la densità dell’interno micellare dopo un certo intervallo di tempo, indicando la presenza del prodotto di policondensazione. Gli spettri IR della miscela di reazione erano d'accordo con tale ipotesi. Misure NMR 1H e 13C hanno fornito le informazioni sulle specie solubili.. Il consumo di TEOS era in accordo con un decadimento esponenziale, suggerendo una cinetica di primo ordine in TEOS, con costante di velocità dipendente non solo dalla concentrazione di acido, ma anche dalla natura (effetto anione specifico), dalla presenza di NaF, e dalla quantità di acqua nel nucleo della micella inversa. I coefficienti di auto-diffusione, determinati mediante PGSTE NMR, hanno dimostrato che una quantità considerevole del sottoprodotto etanolo è presente all'interno delle micelle inverse. Inoltre, lo spettro DOSY ha contribuito alla assegnazione dei segnali delle varie specie oligomeriche presenti nella miscela commerciale di Igepal CA520, poiché la testa, che è una breve catena di poliossietilene, è un po’ polidispersa. L’inserimento di Igepal CA520 in una microemulsione inversa contenente acido ha portato alla separazione di segnali 1H dei vari componenti oligomerici. Questo risulterebbe dal partizione differenziale tra l'olio e la superficie delle micelle inverse, che dipende dal numero di ossido di etilene (EON) della testa e il grado di partizione, tra i due ambienti, per ogni singola specie oligomerica, offrendo una visione più completa sulle microemulsioni inverse non ioniche. È stato possibile accertare che la distribuzione della lunghezza delle catene poliossietileniche è in buon accordo con la distribuzione di Poisson teoricamente prevista per la polimerizzazione di ossido di etilene. La caratterizzazione del prodotto finale è stata effettuata mediante analisi termogravimetrica (TGA), calorimetria differenziale a scansione (DSC), e TEM, che contemporaneamente hanno confermato che la silice isolata dalla microemulsione inversa non ionica non è significativamente diversa dal prodotto di sintesi sol-gel da catalisi acida in bulk. Le micrografie TEM hanno illustrato, oltre ad aggregati nanostrutturati nel range 20-100 nm, le particelle con diametro inferiore al diametro delle micelle inverse ,determinato da SAXS, a causa di un effetto di contrazione. I sistemi di silice dopati con metalli sono importanti per le applicazioni ottiche, e se gli ioni metallici sono finemente dispersi in matrice di silice possono essere ottenuti catalizzatori molto efficienti. La sintesi di nanoparticelle di silice in microemulsione inversa catalizzata da HCl è stata effettuata in presenza di entrambi ioni, Cu2+ e Co2+, con l'obiettivo di ottenere le nanoparticelle conseguentemente dopate. I sistemi sono stati caratterizzati mediante 1H e 13C NMR ed è stata seguita l'evoluzione quantitativa di TEOS e EtOH. L'introduzione dei metalli nella matrice vetrosa influenza fortemente il loro spettro di assorbimento ottico visibile per cui nello studio è stata applicata la spettroscopia UV-Vis. Le nanoparticelle isolate sono state caratterizzati mediante spettroscopia IR e Raman e la loro dimensione è stata determinata mediante TEM. È stato dimostrato che le micelle inverse possono essere utilizzate per produrre le nanoparticelle di SiO2 dopate di Co2+ e Cu2+ con diametro di circa 3 e 4 nm, rispettivamente. Sono state osservate le particelle sferiche più piccole rispetto alle dimensioni micellari e, nel caso del sistema dopato di Cu2+, aggregati più grandi di forma irregolare con diametro fino a 1 micron. Nei immagini TEM di alcune particelle più grandi e aggregati contenenti Cu sono state osservate molte zone più scure che possono essere assegnate alle particelle di metallo Cu incapsulato in matrice di silice. Pertanto, il cobalto è stato dopato con successo nelle nanoparticelle di silice, mentre il doping con il rame sembrava meno soddisfacente.
Description: 2009/2010
NBN: urn:nbn:it:units-9014
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