Vojnotehnički Glasnik (Oct 2018)
Development of new smart metal nanomaterials based on titanium-dioxide for photocatalytic and antimicrobial activities / Разработка новых умных металлических наноматериалов на основе диоксида титана для фотокаталитической и антимикробной активностей / Razvoj novih pametnih metalnih nanomaterijala na bazi titanijum-dioksida za fotokatalitičku i antimikrobnu aktivnost
Abstract
The subject of this study was the synthesis, characterization and testing of titanium (IV) oxide nanoparticles (TiO2-NPs) and their lanthanum (La3+), iron (Fe3+) and vanadium (V3+) dopants for the photocatalytic and microbiological activity, as well as their comparison with the catalytic activity of the tested commercial TiO2 (Degussa P-25® and anatase nanoparticles, 99.9 %, Alfa Aesar Lancaster). The TiO2-NPs photocatalysts were synthetized and doped with different metal dopants concentrations for different calcination durations, such as: TiO2-NPs (anatase-NPs, calcination duration of 5 and 7 h), La3+ (0.65, 1, 2, 3, 4, 5 and 6 wt. %, calcination duration of 7 h), Fe3+ (1, 2.5, 3.0 and 5 wt. %, calcination duration of 7 and 24 h), and V3+ (10 wt. %, calcination duration of 7 and 24 h). The Pseudomonas aeruginosa strains DV 2739 and ATCC 9023 were used as model microorganisms in the microbiological experiments performed in a microbiological cabinet. The photocatalytic and coupled photocatalytic-microbiological processes were performed in a slurry-catalyst bath circulation photoreactor in the presence of direct UV radiation simulated with a sodium lamp SONT UV400 in lab conditions. The study has demonstrated that the catalyst sample S28, an La-dopant with a concentration of 1wt. %, displays the best photocatalytic properties among all La-dopants, while the best photocatalytic activity among all catalysts was achieved in S111 sample, an Fe-dopant of titania (5 wt. %, calcination duration of 7 h). Our results also show different degradation rates for TiO2 doped with V3+ of 10.0 wt. %, samples S93 and S96, synthetized with different duration times (7h and 24h, respectively) and calcination heating rates (66.7 and 135 ᵒC/h, respectively), which can be explained by anomalies in their behavior. Finally, the best antimicrobial activity is obtained in S24 sample, an Fe-dopant for which it was shown that 0.25 mg/L could be toxic for microorganisms. In accordance with our results of superior Fe-dopant characteristics and theoretical knowledge for TiO2 nanoparticles doped with Ag, Au and Fe, we get directions for further studies of their photocatalytic and antimicrobial activities, as well as for the development of TiO2-nanoparticles and nanotubes for enhancing antibiotics and their use in cancer treatment. / Предметом данного исследования являются синтез, классификация и испытания наночастиц титана (IV) оксида (TiO2- НЧ-а) и легирования лантана (La3+), железа (Fe3+) и ванадия (V3+) для фотокаталитической и микробиологической активностей, а также сравнение с каталитическим активностима испытанными в коммерческих целях TiO2 (P25, Degussa® и наночастиц анатаза, чистоты 99,9%, компанией Alfa Aesar из Ланкастера). Наночастицы диоксида титана были синтезированы и легированы с различной концентрацией металлических допантов, при различной продолжительности процесса прокаливания: TiO2-НЧ (анатаз-НЧ, время процесса прокаливания 5 и 7 часов), La3+ (0.65, 1, 2, 3, 4, 5 и 6 вес. %, продолжительность прокаливания 7 часов), Fe3+ (1, 2,5, 3,0 и 5 вес. %, продолжительность прокаливания 7 и 24 часа) и V3+ (10 вес. %, продолжительность прокаливания 7 и 24 часа). Штамм „Pseudomonas aeruginosa DV 2739“ использован в качестве модели микроорганизмов в микробиологических экспериментах, проведенных в микробиологической лаборатории. Совместный процесс фотокаталических и микробиологических испытаний эксперимента проводился в катализаторной ванне при прямом концентрированном ультрафиолетовом излучении от натриевой лампы SONT UV 400, симулирующей солнечное излучение. Исследование показало, что образец катализатора С28, La-легирующей примеси с концентрацией 1 вес. %, обладает лучшими фотокаталитическими свойствами по сравнению с другими La-допантами, в то время, как лучшая фотокаталитическая активность была достигнута в образце S111, Fe-легирующей примеси диоксида титана (5 вес.%, продолжительность прокаливания составляет 7 часов). Результаты нашего исследования также показали различную степень деградации при применении V-допанта TiO2 с концентрацией 10 вес.% образцы С93 и С96 были синтезированы при различной продолжительности прокаливания (67.5 и 135 ᵒC/ч, поочередно), что можно считать аномалией в их поведении. И наконец лучшая антимикробная активность получена в образце СS24, Fe-легирующей примеси, которая показала, что 0,25 мг/л является токсичным для микроорганизмов. Результаты нашего исследования о преимущественных характеристиках Fe- легирующей примеси и теоретические знания о наночастицах TiO2, легированных Ag, Au и Fe, безусловно облегчат исследователям дальнейшую работу в изучении фотокаталитической и антимикробной активностей, а также развития наночастиц TiO2 и нанотрубок, с целью усиления действия антибиотиков и их применения при лечении онкологических заболеваний. / Predmet ove studije bila je sinteza, karakterizacija i testiranje nanočestica titanijum (IV) oksida (TiO2-NČ-a) i njihovih dopanata lantana (La3+), gvožđa (Fe3+) i vanadijuma (V3+) za fotokatalitičku i mikrobiološku aktivnost, kao i njihovo poređenje sa katalitičkim aktivnostima testiranih komercijalnih TiO2 (Degusa P-25® i nanočestica anatasa, čistoće 99,9%, Alfa Aesar iz Lankestera). Titanijum-dioksid nanočestice su sintetizovane i dopirane različitim koncentracijama metalnih dopanata, tokom različitog trajanja kalcinacije, kao što su: TiO2-NPs (anatas-NPs, vreme trajanja kalcinacije od 5 i 7 h), La3+ (0.65, 1, 2, 3, 4, 5 i 6 težinskih %, sa trajanjem kalcinacije od 7 h), Fe3+ (1, 2,5, 3,0 i 5 težinskih %, sa trajanjem kalcinacije od 7 i 24 h) i V3+ (10 težinskih %, sa trajanjem kalcinacije od 7 i 24 h). Sojevi 'Pseudomonas aeruginosa DV 2739 i ATCC 9023' korišćeni su kao model mikroorganizama u mikrobiološkom delu eksperimenata koji su izvedeni u mikrobiološkom kabinetu. Zajednički fotokatalitički i mikrobiološki procesi izvedeni su u cirkularnom fotoreaktoru sa emulgovanim katalizatorom u prisustvu direktnog UV zračenja simuliranog natrijumovom lampom 'SONT UV400'. Studija je pokazala da uzorak katalizatora S28, La-dopanta sa koncentracijom od jednog težinskog %, pokazuje najbolje fotokatalitičke osobine od svih La-dopanata, ali najbolju fotokatalitičku aktivnost od svih katalizatora postignut je kod S111 uzorka, Fe-dopanta (5 težinskih %, trajanje kalcinacije od 7 h). Naši rezultati takođe pokazuju različiti stepen degradacije kada je korišćen V-dopant TiO2, u koncentraciji od 10 težinskih %, uzorci S93 i S96, sintetisani sa različitim trajanjem kalcinacije (7 i 24 h) i brzinom zagrevanja tokom kalcinacije (67,5 i 135 ᵒC/h, redom), što se može objasniti anomalijom u njihovom ponašanju. Konačno, najbolja antimikrobna aktivnost dobijena je korišćenjem uzorka S24, Fe-dopanta, koji je pokazao da koncentracija od 0,25 mg/L može biti toksična za mikroorganizme. U skladu sa našim rezultatima superiornih karakteristika Fe-dopanta i teorijskih znanja za nanočestice TiO2 dopiranih Ag, Au i Fe, došlo se do smernica za dalja istraživanja njihove fotokatalitičke i antimikrobne aktivnosti, kao i za razvoj titanijum-dioksid nanočestica i nanotuba za unapređenje antibiotika i njihovu upotrebu u lečenju raka.
Keywords
