Наночастица диоксида титана - Titanium dioxide nanoparticle

Просвечивающая электронная микрофотография наночастиц диоксида титана из NIST Стандартный справочный материал 1898

Наночастицы диоксида титана, также называемый сверхтонкий диоксид титана или же нанокристаллический диоксид титана или же микрокристаллический диоксид титана, являются частицами оксид титана (TiO2) диаметром менее 100 нм. Ультратонкий TiO2 используется в солнцезащитные кремы благодаря своей способности блокировать УФ-излучение, оставаясь прозрачным на коже. Он имеет кристаллическую структуру рутила и покрыт диоксидом кремния или / или оксидом алюминия для предотвращения фотокаталитических явлений. Риски для здоровья, связанные с ультратонким TiO2 от кожного воздействия на неповрежденную кожу считаются чрезвычайно низкими[1], и считается безопаснее, чем другие вещества, используемые для защиты от ультрафиолета.

Наноразмерные частицы диоксида титана имеют тенденцию образовываться в метастабильный анатаз фаза, из-за нижнего поверхностная энергия этой фазы относительно равновесной рутил фаза [2]. Поверхности ультратонкого диоксида титана в структуре анатаза имеют фотокаталитический стерилизующие свойства, которые делают его полезным в качестве добавки в строительные материалы, например, в противотуманный покрытия и самоочищающиеся окна.

В контексте TiO2 производственники, ингаляционное воздействие потенциально представляет риск рака легких, и стандартные контроль опасностей для наноматериалов актуальны для TiO2 наночастицы.

Характеристики

Из трех распространенных TiO2 полиморфы (кристаллические формы), TiO2 наночастицы производятся в рутил и анатаз формы. В отличие от более крупного TiO2 частицы, TiO2 наночастицы прозрачные, а не белые.Ультрафиолетовый Характеристики поглощения (УФ) зависят от размера кристаллов диоксида титана, а сверхмелкозернистые частицы обладают сильным поглощением как в отношении УФ-А (320-400 нм), так и УФ-В (280-320 нм) излучения.[3]. Поглощение света в УФ-диапазоне происходит из-за наличия сильно связанных экситонов. [4]. Волновая функция этих экситонов имеет двумерный характер и простирается в плоскости {001}.

TiO2 наночастицы фотокаталитический Мероприятия[5]:82[6] это полупроводник n-типа а его запрещенная зона между валентной зоной и полосой проводимости шире, чем у многих других веществ. Фотокатализ TiO2 является сложной функцией физических характеристик частиц. Легирование TiO2 с некоторыми атомами его фотокаталитическая активность может быть усилена.[7]

Напротив, пигментный TiO2 обычно имеет средний размер частиц в диапазоне 200–300 нм.[5]:1–2 Поскольку TiO2 порошки содержат ряд размеров, они могут иметь долю наноразмерных частиц, даже если средний размер частиц больше.[8] В свою очередь, частицы ультрафина обычно образуют агломераты, и размер частиц может быть намного больше размера кристаллов.

Синтез

Наиболее производимый наноразмерный диоксид титана синтезируется сульфатным способом, хлоридный процесс или золь-гель процесс.[9] В сульфатном процессе анатаз или рутил TiO2 производится путем переваривания ильменит (FeTiO3) или титана шлак с серная кислота. Ультратонкая форма анатаза осажденный из раствора сульфата и ультрадисперсного рутила из раствора хлорида.

В хлоридном процессе природный или синтетический рутил хлорируется при температуре 850–1000 ° C, а тетрахлорид титана превращается в форму ультафина анатаза путем парофазного окисления.[5]:1–2

Невозможно преобразовать пигментный TiO2 до сверхтонкого TiO2 шлифованием. Ультратонкий диоксид титана может быть получен различными способами: осадки метод газовая фаза реакция золь-гель м этод и осаждение атомного слоя метод.

Использует

Ультратонкий TiO2 считается одним из трех наиболее производимых наноматериалов, наряду с наночастицы диоксида кремния и наночастицы оксида цинка.[8][10][11] Это второй по популярности наноматериал в потребительских товарах после наночастицы серебра.[12] Из-за длительного использования в качестве товарная химия, TiO2 можно рассматривать как «унаследованный наноматериал».[13][14]

Ультратонкий TiO2 используется в солнцезащитные кремы благодаря своей способности блокировать УФ-излучение, оставаясь прозрачным на коже.[15] TiO2 частицы, используемые в солнцезащитных кремах, обычно имеют размер в диапазоне 5–50 нм.[3]

Ультратонкий TiO2 используется в жилищном строительстве в качестве добавки к краскам, пластмассам, цементу, окнам, плитке и другим продуктам для поглощения УФ-излучения и фотокаталитический стерилизующие свойства, например, в противотуманный покрытия и самоочищающиеся окна.[6] Спроектированный TiO2 наночастицы также используются в светодиодах и солнечных элементах.[5]:82 В дополнение фотокаталитический активность TiO2 может использоваться для разложения органических соединений в сточных водах.[3] TiO2 продукты из наночастиц иногда покрываются кремнезем или же глинозем, или же допированный с другим металлом для особых применений.[5]:2[9]

Здоровье и безопасность

Потребитель

Что касается солнцезащитных кремов, риск для здоровья от воздействия на неповрежденную кожу считается чрезвычайно низким и перевешивается риском повреждение ультрафиолетовым излучением включая рак из-за отсутствия солнцезащитного крема.[15] TiO2 наночастицы считаются более безопасными, чем другие вещества, используемые для защиты от ультрафиолета.[6] Однако есть опасения, что ссадины или сыпь на коже или случайное проглатывание небольшого количества солнцезащитного крема являются возможными путями воздействия.[15] Косметика, содержащая наноматериалы, не требует маркировки в США.[15] хотя они в Евросоюзе.[16]

Профессиональные

Вдыхание - наиболее распространенный путь воздействия взвешенных в воздухе частиц на рабочем месте.[17] Соединенные штаты. Национальный институт охраны труда и здоровья классифицировал вдыхаемый ультратонкий TiO2 как потенциальный профессиональный канцероген из-за риска рака легких в исследованиях на крысах с рекомендуемый предел воздействия 0,3 мг / м3 как средневзвешенное по времени до 10 часов в день в течение 40-часовой рабочей недели. Это в отличие от тонкого TiO2 (который имеет размер частиц менее ~ 4 мкм), который не имел достаточных доказательств, чтобы классифицировать его как потенциальный профессиональный канцероген, и имеет более высокий рекомендуемый предел воздействия 2,4 мг / м3. Реакция опухоли легких, наблюдаемая у крыс, подвергшихся воздействию ультратонкого TiO2 в результате вторичного генотоксичный Механизм связан с физической формой вдыхаемой частицы, такой как площадь ее поверхности, а не с самим химическим соединением, хотя на людях не было достаточных доказательств, подтверждающих это.[5]:73–78 Кроме того, при мелком диспергировании в воздухе и при контакте с достаточно сильным источником воспламенения TiO2 наночастицы могут представлять собой взрыв пыли опасность.[6]

Стандартные средства контроля и процедуры для опасность для здоровья и безопасности наноматериалов актуальны для TiO2 наночастицы.[5]:82 Устранение и замена, наиболее желательные подходы к контроль опасностей, может быть возможным за счет выбора таких свойств частицы, как размер, форма, функционализация, и агломерация /агрегатное состояние для улучшения их токсикологических свойств при сохранении желаемой функциональности,[18] или заменив сухой порошок на суспензия или же приостановка в жидком растворителе для уменьшения воздействия пыли.[19] Инженерный контроль, в основном системы вентиляции, такие как вытяжные шкафы и перчаточные ящики, являются основным классом средств контроля опасности на повседневной основе.[17] Административный контроль включать обучение лучшие практики для безопасного обращения, хранения и утилизации наноматериалов, надлежащей маркировки и предупреждающих знаков, а также поощрения общего культура безопасности.[19] Средства индивидуальной защиты обычно используются для типичных химических веществ, также подходят для наноматериалов, включая длинные брюки, рубашки с длинным рукавом, обувь с закрытыми носками, защитные перчатки, очки защитные, и непроницаемый лабораторные халаты,[17] и в некоторых обстоятельствах респираторы может быть использовано.[18] Оценка воздействия методы включают использование обоих счетчики частиц, которые отслеживают количество наноматериалов и других фоновых частиц в реальном времени; и образцы на основе фильтров, которые могут использоваться для идентификации наноматериала, обычно с использованием электронная микроскопия и элементный анализ.[18][20]

Относящийся к окружающей среде

Солнцезащитные кремы, содержащие TiO2 наночастицы могут смываться в естественные водоемы и попадать в сточные воды, когда люди принимают душ.[8][15] Исследования показали, что TiO2 наночастицы могут нанести вред водорослям и животным, а также биоаккумулировать и биоконцентрат.[15] Соединенные штаты. Агентство по охране окружающей среды обычно не учитывает физические свойства, такие как размер частиц, при классификации веществ и регулирует TiO.2 наночастицы, как и другие формы TiO2.[6]

Токсичность

Было обнаружено, что диоксид титана токсичен для растений и мелких организмов, таких как черви, нематоды и насекомые.[21] Токсичность TiO2 Размер наночастиц на нематодах увеличивается с уменьшением диаметра наночастиц, в частности наночастиц 7 нм по сравнению с наночастицами 45 нм, но рост и воспроизводство все еще затрагиваются независимо от TiO2 размер наночастиц.[21] Выброс диоксида титана в почву может иметь пагубное воздействие на существующую экосистему из-за того, что он препятствует размножению и выживанию почвенных беспозвоночных; он вызывает апоптоз, а также задерживает рост, выживание и размножение этих организмов. Эти беспозвоночные несут ответственность за разложение органического вещества и развитие круговорота питательных веществ в окружающей экосистеме. Без этих организмов состав почвы пострадал бы.[21]

Метрология

ISO / TS 11937 - это метрологический стандарт для измерения нескольких характеристик сухого порошка диоксида титана, важных для нанотехнологий: кристаллическая структура и соотношение анатаз-рутил могут быть измерены с помощью дифракция рентгеновских лучей, средняя частица и кристаллит размеры с использованием дифракции рентгеновских лучей или просвечивающая электронная микроскопия, и удельная поверхность с использованием Метод газовой адсорбции Брунауэра – Эммета – Теллера..[9][22] Для рабочего места оценка воздействия, Метод NIOSH 0600 для измерения массовой концентрации мелких частиц может использоваться для наночастиц с использованием подходящего пробоотборника с отбором по размеру частиц, и, если распределение по размерам известно, то площадь поверхности может быть выведена из измерения массы.[5]:79[23] Метод NIOSH 7300 позволяет использовать TiO2 отличаться от других аэрозолей элементный анализ с помощью атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой. Электронная микроскопия методы, оснащенные энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия также можно определить состав и размер частиц.[5]:79[24]

NIST SRM 1898 - это справочный материал состоящий из сухого порошка TiO2 нанокристаллы. Он предназначен в качестве эталона в экологических или токсикологических исследованиях, а также для калибровки инструментов, измеряющих удельную поверхность наноматериалов методом Брунауэра – Эммета – Теллера.[22][25][26][27]

Рекомендации

  1. ^ «Научный комитет ЕС по здравоохранению» (PDF).
  2. ^ Превращение анатаза в рутил Обзор
  3. ^ а б c Völz, Hans G .; Кишкевиц, Юрген; Водич, Питер; Вестерхаус, Аксель; Гриблер, Вольф-Дитер; Де Лидекерке, Марсель; Буксбаум, Гюнтер; Принцен, Гельмут; Мансманн, Манфред; и другие. (2000). «Пигменты неорганические». Энциклопедия промышленной химии Ульмана. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. п. 52. Дои:10.1002 / 14356007.a20_243.pub2. ISBN  9783527306732.
  4. ^ Бальдини, Эдоардо (2017). «Сильносвязанные экситоны в монокристаллах и наночастицах анатаза TiO2». Nature Communications. 8 (1): 13. Дои:10.1038 / s41467-017-00016-6. ЧВК  5432032. PMID  28408739.
  5. ^ а б c d е ж грамм час я «Текущий разведывательный бюллетень 63: воздействие диоксида титана на рабочем месте». НАС. Национальный институт охраны труда и здоровья: 1–3, 79, 82. Апрель 2011 г. Дои:10.26616 / NIOSHPUB2011160. Получено 2017-04-27.
  6. ^ а б c d е Офис подотчетности правительства США (24.06.2010). «Нанотехнологии: наноматериалы широко используются в торговле, но EPA сталкивается с проблемами в регулировании рисков». НАС. Счетная палата правительства (ГАО-10-549): 18–19, 24–25, 34.
  7. ^ Чжан, Х. Чен, Г., Банеманн, Д.В. (2009). «Фоэлектрокаталитические материалы для защиты окружающей среды». Журнал химии материалов. 19 (29): 5089–5121. Дои:10.1039 / b821991e.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  8. ^ а б c Чжан, Юаньюань; Лей, Ю-Жуй; Aitken, Роберт Дж .; Ридикер, Майкл (24.07.2015). «Перечень разработанных потребительских товаров, содержащих наночастицы, доступных на розничном рынке Сингапура, и вероятность попадания в водную среду». Международный журнал экологических исследований и общественного здравоохранения. 12 (8): 8717–8743. Дои:10.3390 / ijerph120808717. ЧВК  4555244. PMID  26213957.
  9. ^ а б c «ISO / TS 11937: 2012 - Нанотехнологии. Наноразмерный диоксид титана в виде порошка. Характеристики и измерения». Международная организация по стандартизации. 2012. Получено 2017-09-07.
  10. ^ Пиччинно, Фабиано; Готшальк, Фадри; Сигер, Стефан; Новак, Бернд (01.09.2012). «Объемы промышленного производства и использование десяти разработанных наноматериалов в Европе и мире» (PDF). Журнал исследований наночастиц. 14 (9): 1109. Bibcode:2012JNR .... 14.1109P. Дои:10.1007 / s11051-012-1109-9. ISSN  1388-0764.
  11. ^ Келлер, Артуро А .; Макферран, Сюзанна; Лазарева Анастасия; Су, Сангвон (01.06.2013). «Глобальный жизненный цикл выпуска инженерных наноматериалов». Журнал исследований наночастиц. 15 (6): 1692. Bibcode:2013JNR .... 15,1692K. Дои:10.1007 / s11051-013-1692-4. ISSN  1388-0764.
  12. ^ Вэнс, Марина Э .; Куикен, Тодд; Vejerano, Eric P .; Макгиннис, Шон П .; Младший Майкл Ф. Хочелла; Рейески, Дэвид; Халл, Мэтью С. (21.08.2015). «Нанотехнологии в реальном мире: переосмысление инвентаря потребительских товаров из наноматериалов». Журнал нанотехнологий Beilstein. 6 (1): 1769–1780. Дои:10.3762 / bjnano.6.181. ISSN  2190-4286. ЧВК  4578396. PMID  26425429.
  13. ^ «Подводя итоги задач нанотехнологий по охране труда: 2000–2015 гг.». Национальный институт безопасности и гигиены труда США. 2016-08-18. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ «Будущие задачи, связанные с безопасностью производимых наноматериалов». Организация экономического сотрудничества и развития. 2016-11-04. п. 11. Получено 2017-09-06.
  15. ^ а б c d е ж Кесслер, Ребекка (март 2011 г.). «Разработанные наночастицы в потребительских товарах: понимание нового ингредиента». Перспективы гигиены окружающей среды. 119 (3): A120 – A125. Дои:10.1289 / ehp.119-a120. ISSN  0091-6765. ЧВК  3060016. PMID  21356630.
  16. ^ «Использование наноматериалов в косметике». Европейская комиссия. 2017-09-14. Получено 2017-09-14.
  17. ^ а б c «Общие безопасные методы работы с техническими наноматериалами в исследовательских лабораториях». Национальный институт безопасности и гигиены труда США: 4, 15–28. Май 2012 г. Дои:10.26616 / NIOSHPUB2012147. Получено 2017-03-05.
  18. ^ а б c «Создание программы безопасности для защиты нанотехнологического персонала: руководство для малых и средних предприятий». Национальный институт охраны труда и здоровья США: 8, 12–15. Март 2016 г. Дои:10.26616 / NIOSHPUB2016102. Получено 2017-03-05.
  19. ^ а б «Текущие стратегии инженерного контроля в процессах производства наноматериалов и последующей обработки». Национальный институт охраны труда и здоровья США: 1–3, 7, 9–10, 17–20. Ноябрь 2013. Дои:10.26616 / NIOSHPUB2014102. Получено 2017-03-05.
  20. ^ Eastlake, Adrienne C .; Бочам, Кэтрин; Мартинес, Кеннет Ф .; Dahm, Matthew M .; Спаркс, Кристофер; Hodson, Laura L .; Джерачи, Чарльз Л. (2016-09-01). «Уточнение метода оценки выбросов наночастиц в методику оценки воздействия наноматериалов (NEAT 2.0)». Журнал гигиены труда и окружающей среды. 13 (9): 708–717. Дои:10.1080/15459624.2016.1167278. ISSN  1545-9624. ЧВК  4956539. PMID  27027845.
  21. ^ а б c Туриньо, Паула С .; ван Гестель, Корнелис А. М .; Чердаки, Стивен; Свендсен, Клаус; Соарес, Амадеу М. В. М .; Лоурейро, Сусана (01.08.2012). «Наночастицы на основе металлов в почве: судьба, поведение и влияние на почвенных беспозвоночных». Экологическая токсикология и химия. 31 (8): 1679–1692. Дои:10.1002 / и др. 1880. ISSN  1552-8618. PMID  22573562.
  22. ^ а б Стефаняк, Александр Б. (2017). «Основные параметры и приборы для характеристики инженерных наноматериалов». В Мэнсфилде, Элизабет; Kaiser, Debra L .; Фудзита, Дайсуке; Ван де Вурде, Марсель (ред.). Метрология и стандартизация нанотехнологий. Wiley-VCH Verlag. С. 151–174. Дои:10.1002 / 9783527800308.ch8. ISBN  9783527800308.
  23. ^ Бартли, Дэвид Л .; Фельдман, Рэй (1998-01-15). «Твердые частицы, не регулируемые иным образом, вдыхаемые» (PDF). Руководство по аналитическим методам NIOSH (4-е изд.). Национальный институт охраны труда и здоровья США. Получено 2017-09-07.
  24. ^ Милсон, Марк; Халл, Р. ДеЛон; Перкинс, Джеймс Б.; Уилер, Дэвид Л .; Николсон, Кейт; Эндрюс, Ронни (2003-03-15). «Метод NIOSH 7300: Элементы методом ICP (озоление азотной / хлорной кислотой)» (PDF). Руководство по аналитическим методам NIOSH (4-е изд.). Национальный институт охраны труда и здоровья США. Получено 2017-04-25.
  25. ^ "SRM 1898 - Наноматериал диоксида титана". НАС. Национальный институт стандартов и технологий. Архивировано из оригинал на 2017-09-17. Получено 2017-09-07.
  26. ^ Свенсон, Гейл (05.09.2012). «Новый эталонный материал NIST может помочь исследованию токсичности наноматериалов». Национальный институт стандартов и технологий США. Получено 2017-09-06.
  27. ^ Хакли, Винсент А .; Стефаняк, Александр Б. (июнь 2013 г.). ""Реальные «точность, смещение и межлабораторные вариации для измерения площади поверхности наноматериала диоксида титана в форме порошка». Журнал исследований наночастиц. 15 (6): 1742. Bibcode:2013JNR .... 15.1742H. Дои:10.1007 / s11051-013-1742-у. ISSN  1388-0764. ЧВК  4523471. PMID  26251637.