Nanocząsteczka tytanianu
Nanocząstki tytanianu (IV) (TiNS) mają strukturę 2D, w której ośmiościany TiO 6 są połączone krawędziami w dwuwymiarowej siatce typu lepidokrocytu o wzorze chemicznym H x Ti 2 — x/4 ☐ x/4 O 4 ⦁ H 2 O (x ~ 0,7; ☐, wakat). Nanocząsteczki tytanianu można uznać za arkusze o grubości cząsteczkowej i nieskończonych płaskich wymiarach. TiNS powstają zazwyczaj w wyniku złuszczania protonowego tytanianu w fazie ciekłej. W nieorganicznych materiałach warstwowych poszczególne warstwy są połączone ze sobą oddziaływaniami van der Waalsa, jeśli są obojętne, oraz dodatkowymi oddziaływaniami kulombowskimi, jeśli składają się z przeciwnie naładowanych warstw. Dzięki eksfoliacji w fazie ciekłej te pojedyncze arkusze warstwowych materiałów można skutecznie oddzielić za pomocą odpowiedniego rozpuszczalnika, tworząc jednowarstwowe zawiesiny koloidalne. Rozpuszczalniki muszą mieć energię interakcji z warstwami, która jest większa niż energia interakcji między dwiema warstwami. dyfrakcji rentgenowskiej in situ wskazują, że TiNS można traktować jako makrocząsteczki z wystarczającą ilością rozpuszczalnika pomiędzy warstwami, aby zachowywały się jak pojedyncze arkusze.
Nieruchomości
Jednowarstwowe TiNS mają wiele unikalnych właściwości i podobno łączą właściwości konwencjonalnego tytanianu i tytanu. Strukturalnie są to nieskończone ultracienkie (~ 0,75 nm) arkusze 2D o dużej gęstości ujemnych ładunków powierzchniowych pochodzących z atomów tlenu w rogach sąsiednich ośmiościanów. TiNS mogą równoważyć ten ładunek anionowy, wstawiając warstwę przeciwjonową między dwoma arkuszami albo poprzez nakładanie warstw, albo w roztworze wodnym. Ta elektryczna podwójna warstwa zapewnia materiałowi elastyczne odległości między warstwami, wysoką zdolność wymiany kationów i doskonałe właściwości dielektryczne.
Zazwyczaj tlenek tytanu cierpi z powodu wakatów tlenu, które zmniejszają jego potencjał jako kondensatorów z powodu wakatów działających jako ścieżki wysokiego wycieku i pułapki nośników ładunku, jednak TiNS posiadają wakaty Ti, które promują kanały do przenoszenia elektronów. Gdy obecne są wakaty Ti, efektywny ładunek odczuwany przez elektrony na atomach tlenu zmniejsza się i umożliwia mniej utrudniony ruch elektronów.
Aplikacje
TiNS mogą działać jako wysoce wydajne adsorbenty i fotokatalizatory ze względu na ich dwuwymiarową geometrię i strukturę. Zjawisko to można wykorzystać do wielu zastosowań, w tym do usuwania jonów metali i barwników z systemów wodnych. Ponadto potencjał TiNS jako elektrokatalizatora może zwiększyć wydajność ogniwa paliwowego podczas utleniania paliwa. Podobnie okazało się, że interkalowana mioglobina jest skutecznym katalizatorem dla H 2 O 2 .
TiNS mogą być również wykorzystywane do unieruchamiania biomolekuł . Gdy monowarstwa hemoglobiny jest wstawiona do TiNS, transfer elektronów między miejscami aktywnymi białka a elektrodami jest wzmocniony, a aktywność elektrokatalityczna dla redukcji O2 wzrasta . [ potrzebne źródło ] Ponadto heterostrukturalne nanocząstki Fe 3 O 4 -Na 2 Ti 3 O 7 może być stosowany do separacji białek. Po umieszczeniu w środowisku wodnym o pH 6, dodatnio naładowana hemoglobina wiąże się z nanocząsteczkami, podczas gdy ujemna albumina może być wykryta w supernatancie.
Być może najciekawszym zastosowaniem TiNS jest opracowanie materiału zdominowanego przez oddziaływania odpychające elektrostatycznie. TiNS wykazują maksymalne odpychanie elektrostatyczne , gdy są wyrównane cofacjalnie. Aby na tej podstawie stworzyć hydrożel , roztwór TiNS umieszcza się w silnym polu magnetycznym, gdzie siły odpychające indukują strukturę quasi-krystaliczną. Po naświetleniu światłem UV roztwór polimeryzuje i tworzy usieciowaną sieć, która jest niekowalencyjnie związana z TiNS. Tworzy to kompozyt, który jest odporny na prostopadle przyłożone siły ściskające, ale łatwo odkształca się pod wpływem sił ścinających. Tego typu rozwiązania TiNS mogą być stosowane jako materiał antywibracyjny lub wibroizolacyjny oraz przy projektowaniu sztuczna chrząstka .
Nanocząstki tytanianu można również wyrównać w polimerze, równolegle do powierzchni podłoża, przez proste odlewanie kroplowe. Interkalację polimeru i orientację nanocząstek badano metodą rozpraszania promieni rentgenowskich pod małymi kątami (SAXS) przy użyciu skanowania w płaszczyźnie i symetrycznego. Mapowanie SAXS wykazało jednorodne wyrównanie nanocząstek tytanianu w polimerze. Mechaniczne wzmocnienie kwasu poliaminowego za pomocą nanocząstek tytanianowych dopasowanych do modelu Halpin-Tsai , który jest modelem kompozytowym, w którym zakłada się, że wypełniacz znajduje się w wyrównanej pozycji.