Наноструктурированные материалы на основе оксигидроксида алюминия. Растворный синтез, строение, свойства. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.01, доктор наук Виноградов Владимир Валентинович

• Виноградов Владимир Валентинович
• доктор наук
• 2018

Оглавление диссертации доктор наук Виноградов Владимир Валентинович

Оглавление

Стр.

Благодарности

Введение

Глава 1. Ключевые аспекты в дизайне, золь-гель синтезе

и свойствах органо-неорганических композитов на

основе оксида алюминия

1.1. Гидролиз алкоксидов и золь-гель синтез оксигидроксида

алюминия

1.2. Принципы темплатного подхода к синтезу неорганических нанокомпозитов 27 1.2.1 Поверхностно-активные вещества и жидкокристаллические

фазы

1.2.2. Принципы самоорганизации в органо-неорганических

композитах

1.3. Синтез мезоструктурированных и мезопористых нанокомпозитов на основе оксида алюминия по механизму соконденсации 35 1.3.1 Синтез с использованием анионных ПАВ

1.3.2. Синтез с использованием катионных ПАВ

1.3.3. Синтез с использованием неионногенных поверхностно-

активных веществ

1.3.4. Синтез с использованием других темплатов

1.4. Поиск взаимосвязи пористой структуры и свойств

мезопористых алюмооксидных композитов

1.4.1. Примеры влияния структуры мезопористого оксида алюминия на каталитические свойства

1.5. Обоснование выбора направления исследований и новые

горизонты

Глава 2. Закономерности эволюции структуры, морфологии и фазовых переходов нанокристаллического бемита, получаемого золь-гель методом в процессе прокаливания

2.1. Исследование химического строения псевдобемита

нанокристаллического оксигидроксида алюминия

2.1.1 Исследование кристаллической структуры псевдобемита и ее термическая эволюция

2.2. Эволюция текстурных характеристик псевдобемита при переходе

в оксид алюминия

Глава 3. Мезопористые алюмооксидные катализаторы и сорбенты

3.1. Золь-гель синтез, характеристика и каталитическая активность мезопористого у-оксида алюминия, полученного из оксигидроксида алюминия различными способами

3.2. Синтез органо-неорганических композитов на основе оксигидроксида алюминия для получения материалов с бимодальным распределением пор по размерам

3.3. Другие способы самоорганизации надмолекулярных структур в растворе для получения мезопористого оксида алюминия и его допированных структур

3.4. Взаимосвязь структурных особенностей мезопористого оксида алюминия с его сорбционными характеристиками

3.4.1. Мезопористые сорбенты с регулируемой пористой структурой

для сорбции ионов тяжелых металлов

3.4.2. Мезопористые сорбенты Ри (IV)

3.5. Исследование каталитической активности микросфер

допированного мезопористого оксида алюминия

Глава 4. Подходы золь-гель соконденсации для получения биокомпозитов на основе оксигидроксида алюминия

4.1 Синтез и исследование термостабильности альбуминов, конденсированных в матрицу оксигидроксида алюминия

4.2. Получение кристаллических гидроколлоидов бемита при нейтральных значениях pH

4.3. Фермент-содержащие биокомпозиты на основе AЮOH: золь-гель синтез и физико-химические свойства 122 4.3.1. Энтрапирование ферментов в матрицу AlOOH и определение

их активности

4.3.2 Активность и термостабильность кислой фосфатазы, иммобилизированной в бемит

4.3.3 Активность и термическая стабильность пероксидазы и аспарагиназы, иммобилизированных в оксигидроксид алюминия

4.3.4. Другие примеры соконденсации золь-гель AlOOH с ферментами

4.3.5. Стабилизация ферментов от действия УФ излучения 147 Глава 5. Ренатурационная способность наночастиц оксигидроксида алюминия

5.1. Золь-гель конденсация как способ ренатурации белков

5.2. Ренатурация при помощи гидрозоля AЮOH 167 Глава 6. Использование подходов супрамолекулярной химии

для получения функциональных наноматериалов на основе оксигидроксида алюминия

6.1 Тромболитические биокомпозиты

6.1.1. Функциональные тромболитические наночастицы на основе тканевого активатора плазминогена

6.1.2. Функциональные тромболитические наночастицы на основе стрептокиназы

6.1.3. Функциональные тромболитические золь-гель покрытия

6.2. Функциональные нанокомпозиты с контролируемым высвобождением лекарственных препаратов различной молекулярной массы

6.3. Функциональные золь-гель-золь композиты для биосенсорных применений

Глава 7. Применимость разработанных методик для получения наноструктурированных материалов на основе

других неорганических оксидов переходных металлов

7.1 Закономерности синтеза, структурных характеристик и свойств органо-неорганических наноматериалов на основе магнетита

7.1.1. Ультразвук-ассистируемый золь-гель синтез магнетита

7.1.2. Каркасные конструкции на основе магнетита, образуемые в результате золь-гель синтеза

7.1.3. Органо-неорганические композиты на основе магнетита:

синтез, структура и свойства

7.2 Закономерности синтеза, структурных характеристик и свойств органо-неорганических гибридных наноматериалов на основе ТЮ2

7.3 Золь-гель синтез функциональных наноматериалов на основе НЮ2 263 Заключение 271 Список сокращений и условных обозначений 276 Список цитируемой литературы 277 Приложение

Благодарности

Автор выражает большую благодарность за поддержку и постоянное внимание в процессе проведения исследований и написания диссертации, креатив и нестандартный подход, критический взгляд и дружескую обстановку профессору Давиду Авниру (Израиль), д.х.н., профессору Агафонову А.В., к.х.н. Дроздову А.С., к.б.н. Прилепскому А.Ю., к.х.н. Скворцовой Н.Н., к.х.н. Курушкину М.В., профессору Скорб Е.В., профессору Пидько Е.А., член-корр. РАН, д.м.н. Дуданову И.П., д.м.н., профессору Штиль А.А., инженеру Полынскому М.В., своим студентам Андреевой Ю.М., Анастасовой Е.Я., Илатовскому Д.А., Захаржевскому М.А., Газимагомедову М.А., Шаповаловой О.Е., Фахардо А.Ф., Фросинюк А., Шабановой Э.М., Чапуриной Ю.Е, Фурасовой А.Д., а также всему коллективу международной научной лаборатории «Растворная химия передовых материалов и технологий» и химико-биологического кластера Университета ИТМО за ощущение драйва, стремление двигаться только вперед и никогда не останавливаться, невероятную поддержку. Автор также хотел бы отметить словами благодарности всех своих зарубежных коллег, с которыми приходилось работать: профессор Вадим Кесслер (Швеция), профессор Ева Хей-Хавкинс (Германия), профессор Маркус Нидербергер (Швейцария), профессор Джон Бреннан (Канада), профессор Давид Леви (Испания), профессор Суреш Аггарвал (Индия) за фундаментальный подход и междисциплинарность, объективность и глубину мышления.

Автор также считает своим приятным долгом поблагодарить ректора Университета ИТМО д.т.н, чл.-корр. РАН Васильева В.Н. и его команду в лице к.э.н. Козловой Д.К., д.т.н. Никифорова В.О., Дидковской М.К., Веклич А.Н. за поддержку и благоприятную атмосферу.

Особенно автор хотел бы поблагодарить своих родителей за постоянное мотивирование к написанию работы и помощь в выборе профессии, свою жену за моральную поддержку и заботу, а также своих братьев за их выбор развивать научную деятельность совместно.

Посвящается моим родным братьям -Александру и Василию Виноградовым, разделившим со мной радость совместной научно-образовательной деятельности, организовав международный институт SCAMT

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Наноструктурированные материалы на основе оксигидроксида алюминия. Растворный синтез, строение, свойства.»

Введение

Актуальность темы исследования. Материалы на основе оксидов и гидроксидов алюминия одни из самых распространенных на планете, но при этом до сих пор многие их переходные фазы остаются малоизученными. На сегодняшний день известно более 20 кристаллических полиморфных модификаций гидратированных и высокотемпературных фаз оксида алюминия (основные представлены на рис. В1), имеющих различное кристаллическое строение и, как следствие, разные физико-химические характеристики. Согласно текущим представлениям, на основе бемита может быть получена практически любая из известных высокотемпературных фаз оксида алюминия путем выбора оптимального режима синтеза. Наиболее распространенная гамма-форма оксида алюминия у-А1203, в основном, синтезируется в растворе из наноразмерных частиц бемита (А100Н, оксигидроксид алюминия) путем конденсации и температурной обработки. Материалы на основе у-А1203, получили широкое применение в гетерогенном катализе благодаря высокой удельной площади поверхности, наличию кислотно-основных центров и механической прочности. Методы супрамолекулярной химии, темплатного подхода и самоорганизации в растворах позволяют регулировать текстурные характеристики материалов, являющихся носителями каталитически активных фаз. Таким образом, развитие химии оксигидроксида алюминия, исследование способов его взаимодействия с надмолекулярными образованиями в растворах и получение функциональных органо-неорганических структур имеет ключевое значение для получения новых композитов и адсорбентов, высокоэффективных и селективных катализаторов, биосовместимых материалов.

Акдалаит А1203-0.2Н20

1 900°С

Гиббсит А1(ОН)3 -► зоо°с х-А1203 -к-А1703 970°С ~ ^ 1000 -Г100°С

Бемит ->■ 450°С У-А1203 —► 750°С 5-А1203 -^ 0-А1,О3 —> а-АЩ 1000°С ~ 3 1200°С

Байерит А1(ОН)3 -> 230°С Л-А1203 | 500°С Диаспор АЮОН

Рис. В1. Схема полиморфных превращений бемита в кристаллические фазы оксида

алюминия.

Согласно классическим представлениям химии оксигидроксида алюминия, конденсация и температурная обработка его наночастиц приводит к формированию диффузионно ограниченной микропористой структуры (размер пор менее 2 нм), что существенно уменьшает спектр возможных каталитических приложений, особенно в контексте селективности по отношению к высокомолекулярным соединениям. По той же причине наблюдается тенденция к быстрому зауглероживанию и дезактивации. В связи с этим, синтез мезопористого оксида алюминия с регулируемой в узком диапазоне пористой структурой (размер пор 2-50 нм) имеет важное значение для ключевых процессов в гетерогенном катализе. Наночастицы оксигидроксида алюминия формируют прочный неорганический каркас с высокой удельной площадью поверхности, механической и термической стабильностью. Кроме того, отличительной особенностью является химия поверхности оксигидроксида алюминия, которая содержит большое количество гидроксильных групп (рис. В2), формирующих кислотно-основные центры будущих катализаторовЭта особенность является значимой при супрамолекулярной самосборке с органическими темплатами и взаимодействии с высокомолекулярными биомолекулами, что существенно расширяет спектр различных приемов для реализации новых концепций в области моделирования новых материалов.

ОН

ОН

он

он

он

он

А- ^ ^

Д| • I Д| • I Д| • I АГ I • А| • I А| I

Т ч1/Тч1^ Тч1/1 ч1/1 ч1^ |Ч V

0 I о | о | о | о | о

1 I I I I I

'/ I у '/, I О '/ I О '/ I у I у V I ч4

АГ АГ АГ АГ АГ АГ

у I чу I VI чу I чу I чу I ч

он

ОН

ОН

ОН

ОН

ОН

Орторомбическая

кристаллическая

решетка

■»,3 ОН группы

КМ

Рис. В2. Химическая структура наночастиц бемита.

Таким образом, получение и исследование наноструктурированных форм оксида алюминия и его гидратированных предшественников можно отнести к актуальной области современного материаловедения.

В последнее время количество статей по синтезу наноструктурированных форм оксида алюминия растет стремительными темпами (рис. В3). Интересно, что своеобразный бум научных публикаций в области исследований оксида алюминия пришелся на 2006-2010 годы, когда впервые был получен мезопористый оксид алюминия с упорядоченной структурой пор. Несмотря на то, что каталитическая активность материала оказалась весьма незначительной из-за аморфной структуры матрицы, именно после этого события все больше внимание уделяется кристаллическому оксигидроксиду алюминия, как основному прекурсору при создании высокоэффективных и селективных катализаторов XXI века.

В представленной работе ключевые научные изыскания сфокусированы на двух основных и взаимосвязанных направлениях: синтез наноструктурированных форм оксигидроксида алюминия и разработка структур и методов получения композитов на их основе.

Первое направление охватывает исследования в области золь-гель синтеза оксигидроксида алюминия и анализа фазовых превращений в процессе термической эволюции. Основное внимание уделено изучению химии поверхности

нанокристаллического бемита и его текстурных характеристик, имеющих ключевое значение при формировании мезоструктурированных органо-неорганических композитов и мезопористых катализаторов.

Рис. В3. Количество публикаций, посвященных оксиду алюминия (alumina) и его основному прекурсору - бемиту (boehmite) по состоянию на 18 августа ноября 2018 г. По данным «Scopus».

Дизайн пористой структуры может быть обеспечен подбором темплата оптимального строения и условий синтеза (соотношения компонентов, температуры, времени обработки и т.д.). Систематизация данных о способах супрамолекулярной самосборки наночастиц бемита и различных по своей структуре, молекулярной массе и химии поверхности темплатов, закономерностях формирования организованной мезопористой структуры во взаимосвязи с каталитическими и сорбционными характеристиками, представляется актуальной задачей современного материаловедения, находящегося на стыке неорганической, физической и коллоидной химии.

Второе направление связано с изучением механизмов формирования конденсированных органо-неорганических композитов на основе наночастиц оксигидроксида алюминия, исследованием метода энтрапирования как особого подкласса иммобилизации биомолекул в неорганическую матрицу, выяснением причин проявления уникальных особенностей композитов во взаимосвязи с текстурными характеристиками. Результаты исследований явились основанием для создания научно-

обоснованной стратегии дизайна гибридных биоматериалов, которые нашли свое применение в разработке парентеральных золь-гель систем, тромболитических покрытий и высокоэффективных биосенсоров. Выявление физико-химических принципов взаимодействия наночастиц оксигидроксида алюминия с высокомолекулярными биомолекулами, изучение путей их соконденсации и строения, формирует фундаментальные представления для дальнейшего совершенствования химии и практики материаловедения, биохимии и фармацевтики.

Представленная работа сочетает развитые автором методологические и синтетические подходы к определению закономерностей формирования, температурной эволюции, структурирования и функционализации наночастиц оксигидроксида алюминия и гибридных органо-неорганических композитов на его основе. Особое внимание уделено поиску взаимосвязи между структурными особенностями материалов и их каталитическими, адсорбционными и биохимическими свойствами. Это, в свою очередь, позволяет расширить имеющиеся представления о наноструктурированном оксиде алюминия в целом и его гидратированных аналогах в частности, как уникальных объектах неорганической химии и материаловедения, а также сформулировать новые направления междисциплинарных исследований.

Степень разработанности темы. Развитие подходов по структурированию и созданию органо-неорганических композитов с заданными свойствами на основе оксида алюминия и его гидратированных аналогов нашло свое отражение в многочисленных исследованиях российских и зарубежных авторов. В представленной работе выделяется роль оксигидроксида алюминия как основного прекурсора для получения функциональных материалов на основе оксида алюминия, детально исследуются его фазовые, текстурные и химические изменения в процессе термической эволюции. Полученные данные легли в основу при разработке оптимальной стратегии получения мезоструктурированных и мезопористых катализаторов и сорбентов с регулируемой пористостью, активностью и распределением каталитически активных центров по поверхности. Исследование механизмов супрамолекулярной самосборки оксигидроксида алюминия с органическими темплатами и изучение свойств полученных органо-неорганических композитов позволили выстроить новую концепцию дизайна биоактивных наноматериалов. Уникальная наноархитектура впервые разработанных в

данной работе систем способствовала стабилизации высокомолекулярных биоактивных соединений, соконденсированных в неорганический каркас, существенно расширяя температурный интервал функционирования вплоть до экстремальных значений. Обнаруженные особенности химического строения наночастиц оксигидроксида алюминия, роль поверхностных молекул воды и современные методы изучения текстурных характеристик позволили детально описать и объяснить наблюдаемые особенности новых наноструктурированных материалов. Проведены исследования золь-гель систем для парентерального введения биопрепаратов, тромболитических керамических покрытий. Показаны новые свойства: нанокомпозиты, выступая в роли неорганических шаперонов, способствуют ренатурации белков, а также моделируют поведение природных объектов. Полноту исследования подчеркивает тот факт, что впервые разработанные подходы к изучению химии оксигидроксида алюминия и получения нанокомпозитов на его основе, были успешно применены для других оксидных систем металлов.

Представленные сведения позволили обосновать выбор объектов и направления исследований.

Связь темы с плановыми исследованиями и финансовая поддержка работы.

Работа выполнена в соответствии с дорожной картой развития Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики. Разделы работы и отдельные ее этапы выполнены при финансовой поддержке РФФИ (проекты № 10-03-92658-ИНД_а, 09-03-97553-р_центр_а, 11-03-12063-офи, 12-03-97538), грантов Президента Российской Федерации для молодых российских ученых (проекты МК-2229.2012.3, МК-9109.2016.3), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракты № 14.740.12.0862, соглашение №2012-1.4-12-000-2003-005), программы Министерства образования и науки РФ в рамках государственного задания для выполнения научно-исследовательских работ на 2017-2019 гг. (грант № 4.8955.2017/8.9), РНФ (проекты №16-13-00041, 16-19-10346) и ФЦП «Развитие фармацевтической и медицинской промышленности Российской Федерации на период до 2020 года и дальнейшую перспективу» (госконтракт No14.N08.12.0123).

Цели и задачи работы. Цель исследования - дизайн наноструктурированных материалов на основе оксигидроксида алюминия и разработка методов его синтеза;

исследование механизмов самосборки наночастиц в неорганические каркасные структуры, включая процессы соконденсации с молекулярными шаблонами различной природы; установление взаимосвязи структуры полученных материалов с каталитическими, адсорбционными и биохимическими свойствами.

В ходе исследований решались следующие основные задачи экспериментального характера:

• определение закономерностей эволюции структуры, морфологии и фазовых переходов нанокристаллического оксигидроксида алюминия, получаемого золь-гель методом в процессе термической обработки;

• дизайн и установление механизмов образования мезоструктурированных материалов на основе оксигидроксида алюминия в процессе супрамолекулярной самосборки и соконденсации с молекулярными шаблонами различной природы, в том числе с изучением структурных превращений мезофаз;

• разработка принципов послойной супрамолекулярной самосборки каталитически активных мезопористых катализаторов на основе гамма формы оксида алюминия и установление взаимосвязи структуры данных материалов с адсорбционными и каталитическими свойствами;

• установление взаимосвязи химии поверхности оксигидроксида алюминия со способностью ренатурировать высокомолекулярные белковые соединения в процессе соконденсации, развивающей концепцию неорганических шаперонов;

• определение структурных и химических факторов, оказывающих наиболее сильное влияние на стабилизацию белковых молекул, иммобилизированных в каркасные неорганические конструкции на основе оксигидроксида алюминия;

• экспериментальное исследование и теоретическое обоснование активности фермент-содержащих органо-неорганических композитов на основе оксигидроксида алюминия в представлениях ферментативного катализа в растворе и в гетерогенной среде;

• разработка методов функционализации органо-неорганических композитов

при создании гетерофазных материалов, парентеральных золь-гель систем и высокоэффективных сенсоров; • применимость разработанных подходов и методов для других оксидов металлов.

Научная новизна состоит в развитии химии и наноархитектоники материалов на основе оксигидроксида алюминия и его высокотемпературного аналога - у-Л1203 посредством выявления новых эффектов в фундаментальных исследованиях с их участием: дизайн и механизмы супрамолекулярной самосборки с различными молекулярными шаблонами, определение надмолекулярного строения мезоструктурированных фаз, термическая эволюция морфологии, фазового состава и пористой структуры, взаимосвязь между структурой композитов и их реакционной способностью и др. Впервые, путем сравнительного анализа полученных экспериментальных результатов с литературными данными установлен механизм формирования мезопористых каркасных конструкций оксида алюминия с использованием в качестве прекурсора наночастиц псевдобемита. Исследована роль поверхностных молекул воды при формировании алюмооксидной фазы золь-гель способом, определены параметры ее влияния на текстурные характеристики в процессе нагрева. Разработаны методы получения мезопористых и мезоструктурированных катализаторов и адсорбентов путем развития растворных методов получения гибридных органо-неорганических композитов и полученных фундаментальных знаний о химии поверхности оксигидроксида алюминия. Методами динамического светорассеяния, спектроскопии и малоуглового рентгенофазового анализа исследованы пути формирования мезофаз с различными молекулярными шаблонами. Предложены уникальные подходы, основанные на использовании надмолекулярных образований полиэлектролитов, полимер-коллоидных комплексов, а также послойной супрамолекулярной самосборки с введением равномерно распределенных каталитически активных фаз. Взаимосвязь каталитической активности многовариантных наноархитектурных систем с их текстурными характеристиками исследована в процессе конверсии метанола. Впервые оценен вклад неорганической матрицы не только как транспортного депо, но и как непосредственно каталитически активного слоя. Открыт новый вид энтрапированных систем, который можно рассматривать как уникальный подкласс иммобилизованных ферментов: структурная самоорганизация гибридных

наноматериалов в процессе золь-гель конденсации сопровождается интеркалированием высокомолекулярных молекул белков в неорганический каркас. Для этой цели был впервые синтезирован высокочистый гидрозоль оксигидроксида алюминия без использования пептизаторов и стабилизаторов. На основании данных низкотемпературной адсорбции азота, электронной микроскопии и спектроскопии кругового дихроизма было показано, что белки не только способны сохранять нативную структуру в биокомпозите, проявляя ферментативную активность, но и сохранять ее в экстремальных условиях, при которых свободные молекулы полностью денатурируют и, следовательно, теряют активность. Методами динамического светорассеяния и флуоресцентной спектроскопии показано, что высокопротонированная поверхность наночастиц псевдобемита предотвращает агрегацию денатурированных молекул высокомолекулярных соединений, а дальнейшая золь-гель соконденсация, сопровождающаяся проявлением капиллярных сил, возвращает структуру белков в термодинамически более выгодное нативное состояние. Наблюдаемый эффект подтвержден восстановлением ферментативной активности исследованных ферментов. Обнаруженные фундаментальные закономерности позволили создать функциональные органо-неорганические биокомпозиты пролонгированного действия с возможностью таргетной доставки. Контролируемая золь-гель-золь конденсация псевдобемитовой матрицы была впервые использована при разработке высокоэффективных и стабильных оптических сенсоров. Важность полученных результатов для развития неорганической химии подчеркивается тем, что методологические аспекты, разработанные и примененные для систем на основе оксигидроксида алюминия, были успешно применены для исследований оксидов других металлов (FeзO4, TiO2, HfO2), определяющих развитие фотокатализаторов и нанофармацевтических препаратов.

Теоретическая и практическая значимость. Понимание механизмов твердофазного превращения наночастиц псевдобемита в высокотемпературные оксиды позволяет создавать катализаторы с наиболее развитыми текстурными характеристиками по оптимальным с точки зрения энергозатрат технологиям. Выявленные закономерности формирования супрамолекулярных органо-неорганических структур на основе наночастиц оксигидроксида алюминия имеют важное практическое значение для целенаправленного получения мезопористых алюмооксидных структур с заданными текстурными характеристиками. Разработанный

механизм послойной самосборки позволяет получать каталитически активные материалы с равномерным распределением активных центров по поверхности. Уникальная наноархитектура полученных биокомпозитов на основе псевдобемита и интеркалированных белковых соединений способствует стабилизации молекул в неорганической матрице и проявлении ферментативной активности в высокотемпературном диапазоне, что открывает новые возможности для ферментативного катализа. Уникальный метод синтеза высокочистого гидрозоля оксигидроксида алюминия позволил обнаружить ренатурирующую способность наночастиц в растворах, что создает условия для разработки и понимания механизмов фолдинга биомолекул включений в нативные высокомолекулярные структуры. Понимание взаимосвязи структуры органо-неорганических биокомпозитов с их функциональной активностью позволило создать керамические тромболитические лекарственные препараты направленного и пролонгированного действия. Магнитный тромболитический препарат проходит стадию доклинических исследований. Дизайн наноархитектуры и ее практическое воплощение позволили подобрать условия для создания керамических пленкообразующих ранозаживляющих покрытий. Разработана технология струйной печати высокоэффективных оптических биосенсоров на основе управления процесса золь-гель-золь конденсации псевдобемитовой матрицы и установления заданных параметров вязкости и поверхностного натяжения золей. Распространение концептуально развитых подходов на другие оксидные системы позволило разработать магнитоуправляемое транспортное депо для широкого спектра лекарственных препаратов, а синтез по разработанным протоколам наноструктурированного оксида гафния, обладающего высокой электронной плотностью, создает перспективную отечественную платформу для современных материалов тераностики.

Полученные результаты использованы при разработке учебных программ, лабораторных практикумов, курсов лекций и фондов оценочных средств для образовательных программ магистратуры «Химический наноинжиниринг материалов», направление подготовки 18.04.02 и «Молекулярная робототехника и биосенсорные системы», направления подготовки 19.04.01, реализуемых в химико-биологическом кластере Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Основные положения, выносимые на защиту: способ получения мезопористых алюмооксидных каталитических и адсорбционных систем с заданной структурой и свойствами, основанный на тщательном анализе текстурных и химических перестроек наноструктурированного оксигидроксида алюминия в процессе термической эволюции совместно с изучением принципов формирования мезофаз при взаимодействии с молекулярными шаблонами различной природы; корреляция между структурными особенностями мезопористого оксида алюминия и его каталитическими свойствами с разработкой метода высокоэффективной конверсии метанола в диметиловый эфир; метод послойной супрамолекулярной самосборки мезоструктурированных органо-неорганических композитов с равномерно распределенными каталитически активными центрами по поверхности, основанный на использовании надмолекулярных образований полиэлектролитов и полимер-коллоидных комплексов; ультразвук-ассистируемый метод получения высокостабильных гидрозолей оксидов металлов, формирующих неорганические каркасные конструкции при конденсации с возможностью интеркалирования молекул высокомолекулярных соединений с сохранением их нативной структуры; способность наночастиц AЮOH - неорганических шаперонов препятствовать агрегации денатурированных молекул белков и возвращать их структуру в нативное состояние в условиях контролируемой золь-гель конденсации; способ термостабилизации ферментов при их иммобилизации в каркасные конструкции оксигидроксида алюминия; метод получения высокочувствительных оптических сенсоров с использованием возможности контролируемого золь-гель-золь перехода конденсированной алюмооксигидроксидной матрицы, наносимой методом струйной печати; взаимосвязь дизайна пористой структуры неорганической матрицы с профилем высвобождения молекул различной молекулярной массы в растворе; методы получения органо-неорганических мезопористых композитов на основе Fe3O4, TiO2, и HfO2 для таргетной доставки лекарственных препаратов и материалов тераностики.

Методология и методы исследования. Методология и подходы к решению поставленных в диссертации задач включают теоретические и экспериментальные приемы, основанные на собственном опыте и знаниях отечественных и зарубежных ученых, работающих в области неорганической и коллоидной химии оксидных систем. Ключевое звено методологии сводилось к предварительному дизайну, синтезу, эксперименту с последующим анализом и обобщением. В качестве методов

исследования рассматривались - электронная спектроскопия поглощения, ИК-спектроскопия, спектроскопия кругового дихроизма, флуоресцентная спектроскопия, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, элементный и термический анализ, рентгенофазовый анализ, сканирующая и просвечивающая электронная микроскопия в том числе высокого разрешения, динамическое светорассеяние, низкотемпературная адсорбция/десорбция азота и другие, которые позволяют на данный момент выполнять большинство задач по анализу химии и структуры наноматериалов. В работе в качестве основной инструментальной базы использовано оборудование химико-биологического кластера Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, Центров коллективного пользования Ивановского государственного химико-технологического университета, Института химии растворов им. Г.А. Крестова РАН («Верхневолжский региональный центр физико-химических исследований»), Наноцентра Еврейского университета в г. Иерусалим (Израиль).

Степень достоверности и апробация результатов. Большой массив экспериментальных данных и современные методы физико-химического анализа, соответствующих поставленной цели и задачам, обеспечивают необходимую достоверность результатов. Выводы, научные положения и задачи, сформулированные в диссертации, подтверждены условиями исследуемого процесса (взаимодействие, проявления одного или нескольких свойств вместе) для необходимого набора соединений, для которых данные процессы считаются аналогичными. В работе отсутствуют противоречия положений с современными представлениями неорганической и коллоидной химии, материаловедения и вазимосвязанных с ними направлений. Интерпретация, статистический анализ и подготовка полученных экспериментальных результатов проведены с использованием современных методов анализа и обработки информации. Применялись стандартизированные материалы, химические вещества и аналитическое оборудование с соответствующим программным обеспечением. Научная экспертиза результатов в ходе рецензирования публикаций, представление результатов на конференциях различного уровня, экспертиза заявок на гранты и научных отчетов, может также служить дополнительным подтверждением достоверности результатов.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Виноградов Владимир Валентинович, 2018 год

/ / / /

___-А1-_А1 __А1^А1 ^ А1—А1

^ г г \

Рис. 2.10. Схема дегидроксилирования псевдобемита.

Глава 3

Мезопористые алюмооксидные катализаторы и сорбенты

Отсутствие систематических исследований по поиску взаимосвязи условий синтеза мезопористого и мезоструктурированного оксида алюминия с его текстурными характеристиками и каталитическими свойствами является ключевой проблемой для создания теоретической платформы, позволяющей прогнозировать свойства конечных систем, исходя из заданных параметров. В данном разделе диссертации будут предложены и рассмотрены разнообразные методики синтеза мезопористого оксида алюминия с узким мономодальным и бимодальным распределением пор по размерам, приготовленного с различными молекулярными шаблонами и при помощи ультразвука, а также представлен способ интеркалирования каталитически активных фаз на этапе синтеза. Все исследования, опубликованные в работах [84, 86-92], сопровождались изучением каталитической активности, для установления взаимосвязи между структурными свойствами, определяемыми условиями синтеза, и конечными характеристиками целевых структур.

3.1. Золь-гель-синтез, характеристика и каталитическая активность мезопористого у-оксида алюминия, полученного из золя бемита различными способами

В этом разделе рассмотрены текстурные и каталитические свойства мезопористого у-А1203, полученного с использованием различных методов, таких как ультразвуковая обработка и самосборка в присутствии темплатов. Наноструктурированные частицы готовили по классическому способу гидролиза изопропоксида алюминия в водной среде, с последующей модификацией. Исследования каталитических свойств показали, что текстурные характеристики и размер кристаллитов являются чрезвычайно важными параметрами, влияющими на каталитическую активность образцов в реакции дегидратации метанола. В частности, обнаружено, что у-А1203, полученный при ультразвуковой обработке, проявляет высокую каталитическую активность, благодаря уникальной пористой структуре и сравнительно большому размеру кристаллитов.

Рис. 3.1. Микрофотографии образцов а - чистого оксида алюминия; б -приготовленного в условиях УЗ обработки; в - темплатным способом.

Как можно видеть из рис. 3.1, первичные структурные элементы прокаленных образцов имеют округлую форму и размер около 10 нм. Они образуют агрегаты различной формы с размерами до 100 нм, в то время как условия синтеза существенно не влияют на размеры частиц и морфологию.

В табл. 3.1 приведены текстурные параметры образцов, приготовленных при различных условиях.

Табл. 3.1. Условия синтеза и текстурные характеристики образцов

Образец Прекурсор Обработка $БЭТ a (м2/г) S б S мезопор (м2/г) V c V пор (см3/г) dloo (нм) Dpд (нм) Размер кристаллита (нм)

1 Al(CзH7O)з - 181 255 0.233 7.8 3.0 8

2 Al(CзH7O)з Ультразвук 217 288 0.339 6.8 6.2 11

3 Al(CзH7O)з Полиэтиленимин 306 397 0.672 5.9 8.8 6

а Удельная площадь поверхности, вычисленная по теории БЭТ.

6 Удельная площадь поверхности мезопор, вычисленная по теории ВШ по ветви

десорбции.

с Общий объем пор, определенный при Р/Р0 = 0.995. д Средний диаметр пор

Образец 1 обладает удельной площадью поверхности около 180 м /г, объемом пор 0,233 см3/г и размером кристаллитов 8 нм, что весьма характерно для у-оксида алюминия, получаемого обычным золь-гель способом. Ультразвуковая обработка приводит к разрушению упорядоченной структуры глобулярных наночастиц глинозема (образец 2) с образованием новых пор, размером 6,2 нм, что сопровождается увеличением объема пор, площади поверхности и размера кристаллитов до 217 м2/г, 0,339 см3/г и 11 соответственно. Увеличение площади поверхности по БЭТ и размера кристаллитов связано в первую очередь с увеличением объема пор и уменьшением толщины стенки пор. Распределение размеров пор характеризуется двумя узкими пиками при 3,0 и 6,2 нм. Напротив, образец 3, приготовленный с использованием разветвленного полиэтиленимина в качестве структурообразующего агента, показал больший объем пор (0,672 см /г), более высокую удельную площадь поверхности ^ = 307 м2/г) и продемонстрировал более широкое распределение пор по размерам по сравнению с другими образцами. Таким образом, разные условия синтеза оказывают сильное влияние на текстурные характеристики конечных образцов.

На рис. 3.2 показаны изотермы адсорбции-десорбции азота и распределение пор по размерам для прокаленных образцов.

Рис. 3.2. Изотермы низкотемпературной адсорбции-десорбции азота и распределение пор по размерам для: а - чистого оксида алюминия; б - приготовленного в условиях УЗ обработки; в - темплатным способом.

Все образцы имеют изотермы классического IV типа с петлей гистерезиса, характерной для мезопористых материалов [211]. Образец 1 имеет гистерезис на кривой изотермы при парциальных давлениях P/P0 в диапазоне 0,4 и 0,8 (рис. 3.2а), что свидетельствует о наличии бутылкообразных пор (тип H2 на рис. 3.3). Связь между формой изотермы и структурой пор показана на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Классификация пористой структуры в зависимости от профиля изотермы: Н1- цилиндрические поры, Н2- бутылкообразные поры, Н3 - поры, образованные слоистой структурой материала, Н4 - щелевидные поры.

На рис. 3.4 показаны схемы упаковки частиц в зависимости от метода синтеза. Контролируемая конденсация частиц одинаковой формы в результате золь-гель перехода способствует образованию монолитов, поры в которых представлены расстоянием между частицами, аналогично тому, как изображено на рис. 3.4а. Ультразвуковая обработка способствует кристаллизации и образованию частиц с большим размером кристаллитов, что приводит к увеличению расстояния между частицами. Структура при этом разрыхляется и образуются псевдоцилиндрические поры как показано на рис. 3.4б. Таким образом, изотерма (рис. 3.2б) для образца 2 характеризуется наличием как бутылкообразных (Р/?0=0,45-0,7, тип А на рис. 3.2), так и псевдоцилиндрических пор (P / P0 = 0,7-0,9). Весь этот процесс сопровождается появлением нового пика на кривые распределения пор по размерам (рис. 3.2б) из-за наличия новых мезопор диаметром 6,2 нм. Образец 3, приготовленный с использованием полиэтиленимина демонстрирует большие мезопоры с более широким распределением по размеру, что согласуется с широкой петлей гистерезиса, локализованной при более высоких парциальных давлениях (рис. 3.2с) и свидетельствующей о наличии цилиндрических пор (рис. 3.4в).

Рис. 3.4. Схематическое изображение формирования различной пористой структуры, характерной для: а - чистого оксида алюминия; б - приготовленного в условиях УЗ

обработки; в - темплатным способом.

На рис. 3.5 представлены данные порошковой дифракции образцов до и после прокаливания. Все непрокаленные образцы состоят из нанокристаллического бемита (JCPDS файл № 21-1307).

Рис. 3.5. Порошковая дифракция прокаленных (справа) и непрокаленных (слева) образцов золь-гель оксида алюминия. Образец 1- чистый оксида алюминия; образец 2 -приготовленный в условиях УЗ обработки; образец 3 - приготовленный темплатным

способом.

После прокаливания при 600 ° С полученные мезопористые образцы демонстрируют только один широкий максимум ^100) в малоугловом диапазоне (рис. 3.6), что свидетельствует о наличии неупорядоченных мезопор. С другой стороны, широкоугольные рентгенограммы образцов показывают, что после прокаливания кристаллиты бемита преобразуются в у-оксид алюминия (файл JCPDS № 10-0425) аналогично раннее изученным результатам (см. главу 1).

13579 13579

2© 2©

Рис. 3.6. Малоугловая дифракция прокаленных (справа) и непрокаленных (слева) образцов золь-гель оксида алюминия. Образец 1- чистый оксида алюминия; образец 2 -приготовленный в условиях УЗ обработки; образец 3 - приготовленный темплатным

способом.

Расчет, выполненный с использованием уравнения Шеррера показывает, что у-оксид алюминия имеет размеры кристаллитов 8, 11, 6 нм для образцов 1, 2, 3 соответственно. Этот факт также свидетельствует о том, что ультразвуковая обработка способствует росту кристаллов. Вместе с тем, влияние ультразвуковой обработки на процессы кристаллизации в растворе широко изучались ранее [213, 214]. Она включает в себя промотирование первичной / вторичной нуклеации, ускорение роста кристаллов, улучшение разделения твердой и жидкой фаз и т.д. Согласно предположениям Наота [216], ультразвук способствует первичной/вторичной нуклеации в растворе. Эффект ультразвука в нашем случае произвел лишь незначительное влияние на рост кристаллов, что, по-видимому, отразилось при более интенсивном массопереносе. Ультразвук в жидкости создает механические возмущения как по кавитации, так и по акустическим потокам. Такие эффекты изменяют динамику жидкости и увеличивают массоперенос растворенного вещества к поверхности растущего кристалла. Это означает, что сононуклеация может давать дополнительные зародыши для дальнейшей кристаллизации. Относительно проведенных экспериментов, на первоначальной стадии образец представлял собой глобулярные кристаллические наночастицы, которые под действием ультразвука могли частично разрушаться, что приводило к образованию внушительного количества новых зародышей, диспергированных в водной фазе.

Увеличение размера кристаллитов для образца 2 связано с образованием новых глобулярных кристаллических частиц, полученных в результате вторичной нуклеации и роста кристаллов при ультразвуковой обработке. В этом случае присутствие частиц разного размера, образованных в исходном растворе и в результате сононуклеации, объясняет наличие двух узких пиков на распределении пор по размерам. Напротив, применение полиэтиленимина в качестве темплата уменьшает размер кристаллитов и приводит к аморфизации золь-гель матрицы. Очевидно, что условия синтеза влияют не только на пористую структуру, но и на кристаллическую структуру, увеличивая или уменьшая размер кристаллитов, и, как мы обсудим далее, этот факт сильно влияет на каталитические свойства образцов

Хорошо известно, что текстурные характеристики мезопористого оксида значительно влияют на протекание каталитических процессов, особенно если они используются в качестве катализаторов или носителей [215]. В частности, наличие слабо

выраженной кристаллической структуры, высокой площади поверхности и равномерного распределения пор по размерам для каталитической дегидратации метанола может приводить к усилению каталитической активности [217, 218]. В своей работе мы выбрали реакцию дегидратации метанола в диметиловый эфир в качестве модельной реакции для оценки влияния текстурных свойств у-А1203 на каталитические характеристики. Эта реакция важна для получения диметилового эфира из-за перспектив его использования в качестве альтернативного биодизельного топлива. В отличие от образца 1, приготовленного без использования темплата и ультразвука, как образец 2, так и образец 3 показали значительное улучшение каталитической активности. До 500 ° С максимальная конверсия метанола на образце 1 достигала всего 78%, тогда как на образцах 2 и 3 она составляла около 85%. Более того, при 400 ° С конверсия метанола на образцах 2 и 3 70%) значительно увеличилась по сравнению с образцом 1 (всего 44%). Каталитическая активность образцов 2 и 3 очень похожа, хотя площади поверхности этих образцов значительно отличаются (217 и 306 м2/ г для образцов 2 и 3 соответственно). Это явление связано как с разными размерами кристаллитов, так и с текстурными особенностями. Образец 2, полученный ультразвуковой обработкой, характеризуется большим размером кристаллитов и имеет необычную пористую структуру с диаметром пор 3,0 и 6,2 нм, что приводит к увеличению каталитической активности. Проведение каталитической реакции на поверхности катализатора всегда связано с переносом реакционных реагентов и продуктов на внутреннюю поверхность и с нее. В зависимости от пористой структуры процесс может быть лимитирован химическими превращениями или диффузионным ограничениями. Способность катализировать реакцию как на поверхности, так и внутри пористой структуры катализатора определяет его эффективность [212]. В нашем случае увеличение каталитической активности для образца 2 связано с пористой структурой, образованной глобулярными частицами с разным размером кристаллитов. Очевидно, что наличие более крупных пор с диаметром 6,2 нм облегчает доступ реагентов к более мелким (3,0 нм) и способствует более быстрому подводу и отводу реагентов и продуктов реакции.

В данном разделе описаны результаты получения мезопористого у-оксида алюминия с использованием в первом случае в качестве структуроопределяющего агента ультразвуковой обработки, а во втором - полиэтиленимина. Частицы у-А1203,

приготовленные без темплата и ультразвуковой обработки, плотно упаковываются в процессе золь-гель синтеза, а поры имеют бутылкообразную форму с очень узким распределением. Применение ультразвуковой обработки приводит к частичному превращению данных пор в цилиндрические. Это связано не только с плохо упакованной структурой, но и с увеличением размера кристаллитов во время ультразвуковой обработки. y-Al2Oз, полученный с использованием полиэтиленимина, обладает наибольшим размером мезопор. Показано, что мезопористый у-А1203, полученный путем ультразвуковой обработки, не имеет большой площади поверхности и равномерного распределения пор, но демонстрирует высокую каталитическую активность в реакции дегидратации метанола в диметиловый эфир. Это явление связано с большим размером кристаллитов и необычной пористой структурой по сравнению с другими образцами. Очевидно, что ультразвуковая обработка оказывает значительное влияние на микроструктуру и, как результат, на каталитические свойства.

3.2. Синтез органо-неорганических композитов на основе оксигидроксида алюминия для получения материалов с бимодальным распределением пор по размерам

В предыдущем разделе было показано, что наличие бимодальной пористой структуры благоприятствует протеканию каталитического процесса дегидратации метанола в диметиловый эфир. Создание заданной структуры было обеспечено ультразвуковой обработкой, что на практике создает определенные трудности. Физическая обработка зачастую неравномерна, имеет склонность к потере интенсивности во времени и трудно адаптируема под аппараты химических технологий, что влечет за собой неоднородность пористой структуры и, как следствие, каталитической активности. В данном разделе будут представлены результаты получения мезопористого оксида алюминия методом темплатного синтеза с бимодальным распределением пор по размерам и изучения каталитических свойств полученных образцов в реакции дегидратации метанола.

В качестве темплата использовали наносферы полиметилметакрилата. Принципиальная схема формирования такой структуры представлена на рис. 3.7а. По результатам динамического светорассеяния средний гидродинамический размер

наносфер ПММА составлял около 20 нм (рис. 3.76). Благодаря электростатическому взаимодействию, наночастицы бемита взаимодействуют с наносферами ПММА. После сушки и прокаливали при 600 ° С в течение 3 ч, наносферы ПММА разрушаются и выгорают с образованием пустот и пор между агрегированными частицами нанокристаллического оксида алюминия.

Рис. 3.7. а - принципиальная схема формирования композита с бимодальной пористой структурой. б - распределение наносфер ПММА по радиусу.

В табл. 3.2 приведены текстурные характеристики образцов. Как уже ранее отмечалось, классический оксид алюминия дает удельную площадь поверхности около 220 м2/г, объем пор 0,297 см / г и размер кристаллитов 8 нм. Синтез в присутствии ПММА приводит к образованию иерархической мезопористой структуры с размером пор 25,7 и 3,8 нм.

Табл. 3.2. Условия синтеза и текстурные характеристики образцов

Образец Прекурсор Темплат ^БЭТ а (м2/г) V с °Р (см /г) Брд (нм) Размер кристаллита (нм) Кислотные е центры (цмоль ОД/г)

1 Л1(СзИ70)з - 220 0.233 3.0 8 54.2

2 Л1(СзИ70)з ПММА 236 0.384 3.8;25.7 10 59.7

а Удельная площадь поверхности, вычисленная по теории БЭТ.

б Общий объем пор, определенный при P/P0 = 0.995. c Средний диаметр пор

д Размер кристаллита вычисленный по методу Шеррера e NH3 - TPD метод

Как было показано ранее, наличие темплата существенно не влияет на размеры частиц и их морфологию. На рис. 3.8 показаны изотермы адсорбции-десорбции азота и распределения пор по размерам для прокаленных образцов, полученных по классической золь-гель технологии (образец 1) и с применением наносфер полиметилметакрилата (ПММА).

Рис. 3.8. Изотермы низкотемпературной адсорбции-десорбции азота (слева) и распределение пор по размерам (справа) для: а, в - чистого оксида алюминия; б, г -приготовленного с использованием наносфер ПММА.

Фактически применение наносфер ПММА во время синтеза обеспечивает

2 3

увеличение площади поверхности и объема пор до 236 м /г и 0,384 см /г соответственно. Крупные мезопоры с более широким распределением по размерам приводят к смещению петли гистерезиса к более высоким парциальным давлениям (рис. 3.8б) и формировании бимодального распределения мезопор (рис. 3.8г).

Изображения ПЭМ обоих образцов, прокаленных при 600 ° С, показаны на рис. 3.9 вместе с соответствующими электронными дифрактограммами (электронограммами).

Рис. 3.9. ПЭМ изображение и соответствующие электронограммы. а - у-Л1203, приготовленный по классической золь-гель технологии; б - приготовленный с

использованием наносфер ПММА.

Анализ результатов ПЭМ также подтверждают наличие мезопористой структуры хорошо согласуются с данными, полученными с помощью физисорбции Электронограммы указанной области также показывают, что материалы обладают слабой кристалличностью с единственной фазой у-Л1203. На рис. 3.9а отчетливо виднеются бутылкообразные мезопоры, в то время как на темплатном образце также присутствует и сферические мезопоры большего диаметра. Это подтверждает предложенный нами механизм образования мезопористого у-оксида алюминия с бимодальным распределением мезопор.

Перед исследованием каталитических свойств важно было также проследить распределение кислотных центров при использовании темплатного подхода. КИ3-ТРБ проводили на обоих образцах и полученные графики представлены на рис. 3.10а. Эксперимент проводили для оценки роли сульфатных групп (использовались в составе реагентов для синтеза наносфер ПММА) в распределении кислотных и основных центров, поскольку и сульфатные, и персульфатные ионы могут сильно повысить кислотность катализатора. Как видно из профилей NH3-TPD, как образец 1, так и образец 2 показывают широкие пики в температурных диапазонах 120-250 ° С и 325-350

° С. Первый пик означает десорбцию КИ3 на слабых кислотных участках, а второй пик относится к участкам с умеренной кислотностью.

—I-1-1-1-1-!-Г-1-

50 100 150 200 250 300 350 400 450 Температура, °С

Температура, °С

Рис. 3.10. а - КИ3-ТРБ профиль и б - конверсия метанола в диметиловый эфир на синтезированных образцах. Б - образец 1 (•) и 2 (▲).

Для получения более подробной информации был проведен количественный анализ. Как показано в табл. 3.2, количество адсорбированного аммиака МН3 определяли по площади пика, полученного путем предварительной калибровки. Общее количество аммиака, десорбированного из катализаторов, составляет 54,2 и 59,7 мкмоль КН3/гкат для образцов 1 и 2 соответственно. Таким образом, образец 2 имеет более 10% дополнительных кислотных участков. Это существенно по сравнению с другими используемыми кислотными катализаторами в реакции дегидратации метанола. Присутствие умеренно сильных кислот Бренстеда в обоих образцах объясняет их более высокую селективность по сравнению с цеолитными образцами. Данные МН^-ТРБ показывают почти аналогичное распределение кислотных центров в образцах 1 и 2, несмотря на присутствие сульфатных и персульфатных групп в исходном растворе для получения образца 2. Этот факт, вероятно, связан с отсутствием прямого взаимодействия между сульфатной группой и поверхностью наночастиц псевдобемита в процессе синтеза, поскольку додецилсульфат натрия непосредственно участвуют в образовании наносфер ПММА во время эмульсионной полимеризации и легко удаляются при прокаливании вместе с соответствующей органической фазой.

На рис. 3.10б показана зависимость степени конверсии метанола в диметиловый эфир от температуры реакции. По сравнению с образцом 1, приготовленным по классической технологии, образец 2 показал существенное увеличение каталитической

активности. Максимум конверсии метанола в образце 1 достиг только 83%, а на образце 2 - около 86%. Вместе с тем, при 225 °С конверсия метанола на образце 2 составила 80%, а на образце 1 всего 55%. Несмотря на то, что каталитическая активность образцов существенно отличается, при том, что площадь поверхности и относительное количество кислотных центров различаются незначительно, мы считаем, что ключевой особенностью является именно пористая структура материалов. Очевидно, что наличие больших пор с диаметром 25,7 нм облегчает доступ реагентов к более мелким (3,8 нм) и способствует быстрой подаче реагентов и отводу продуктов реакции.

В данном разделе показано, что пористая структура, образующаяся в результате удаления темплата, играет ключевую роль в протекании каталитической реакции. Тем не менее, остаточные группы, которые могут оставаться в результате выгорания органического субстрата могут влиять на распределение и концентрацию кислотных центров, что само по себе может также сказываться на протекании каталитического процесса. В следующих разделах будут рассмотрены варианты соконденсации для создания мезоструктурированного оксида алюминия с равномерным распределением допанта по внутренней поверхности матрицы.

3.3. Другие способы самоорганизации надмолекулярных структур в растворе для получения мезопористого оксида алюминия и его допированных структур

Взаимосвязь первоначальных условий синтеза мезопористого оксида алюминия и его каталитические характеристики в основном зависят от выбора темплата. Вместе с тем, важным остается вопрос об интеркаляции каталитически активных фаз непосредственно в процессе золь-гель синтеза. Традиционные способы, основанные на использовании мицеллярных структур ПАВ, для этого мало подходят, поскольку не взаимодействуют с ионной формой прекурсоров. В разделе будут представлены уникальные методики использования координационно активных надмолекулярных полимер-коллоидных комплексов для получения допированного мезопористого оксида алюминия с равномерным расположением каталитических сайтов и узким распределением пор по размерам.

Супрамолекулярная самосборка разветвленных полиэлектролитов с ПАВ может привести к образованию надмолекулярных структур, которые также могут быть использованы в качестве темплатов. Наличие координационно-ненасыщенных групп в структуре полиэлектролита также может благоприятствовать введению каталитически активных фаз.

Образование гибридной мезофазы между неорганическим прекурсором (псевдобемитом) и структурообразующим агентом (полимер-коллоидным комплексом (ПКК)) состояло из двух этапов, изображенных на схеме (рис. 3.11):

пэи

® ПлюроникР123

1ЛЛ-ЛЛЯ

Рис. 3.11. Схема образование мезоструктурированного оксида полимер-

коллоидного комплекса.

Согласно данным светодинамического рассеяния, в растворе полиэтиленимина присутствуют мелкие частицы с гидродинамическим диаметром около 10 нм и более крупные с диаметром более 100 нм (рис. 3.12б). Известно, что разветвленный полиэтиленимин в водной среде образует структуры около 5 нм, поэтому, скорее всего, наблюдаемый гидродинамический диаметр (10 нм) относится к индивидуальным молекулам ПЭИ, в то время как крупные структуры (100 нм), вероятно, к агрегированному полимеру. В процессы агрегации ПЭИ вносят вклад электростатические взаимодействия (диполь-дипольные и ион-дипольные), а также водородные связи. Отдельные молекулы Плюроника Р-123 в использованных концентрациях формируют мицеллы сферической или эллипсоидальной формы со средним гидродинамическим радиусом 9 нм (рис. 3.12а).

а

_ 15 & 1" ю 1 В

j

1 п 1

Ж 1

1 10 100 1000 ЙМ (глт)

6

к I -4

Л.

1 10 100 1000 5ве (г.пт)

в

I,

I

1

1 10 100 1000 5ее (г.пт)

Рис. 3.12. Гидродинамический размер молекул а - Плюроника Р - 123, б -полиэтиленимина и их в - полимер-коллоидного комплекса.

При постоянной температуре и рН, молекулы полиэтиленимина способны взаимодействовать с мицеллами Плюроника Р-123. ПЭИ содержит первичные, вторичные и третичные амины и имеет высокую буферную емкость. Во время перемешивания первичные аминогруппы вступают в реакцию с ОН-группами в триблок-сополимере Плюроник, что приводит к межмолекулярному сшиванию, как показано на первой стадии рис. 3.11. На этой стадии были формируются мезоструктуры со средним гидродинамическим диаметром 19 нм (рис. 3.12в), которые имеют большое количество иминогрупп, способных взаимодействовать с наночастицами псевдобемита, как показано на второй стадии (рис. 3.11). По сравнению с поверхностно - активными веществами, наночастицы оксида алюминия взаимодействуют с ПКК через образование более прочных связей с иминными и аминными группами полиэтиленимина, что предотвращает распад мезоструктур во время прокаливания при 600 °С. Рентгенограммы мезопористых образцов, полученных с использованием различных подходов показали, что после прокаливания кристаллиты псевдобёмита преобразуются в слабо окристаллизованные частицы у-оксида алюминия (рис. 3.13г).

Рис. 3.13. Изотермы адсорбции-десорбции азота с соответствующими кривыми распределения пор по размерам для образцов мезопористого оксида алюминия после прокаливания: а - А1203-Р123; б - А1203-ПЭИ; в - А1203-ПКК и г - рентгенограммы прокаленных образцов.

На рис. 3.14 представлены данные малоугловой рентгеновской порошковой дифракции. Отчетливо видно, что кривые прокаленных и синтезированных образцов состоят только из одной характерной дифракционной линии ^100) без дальнейших отражений. Прокаливание приводит к значительному увеличению интенсивности главных дифракционных линий за счет удаления органической фазы, расположенной внутри каналов.

13579 13579

29(с1едгее) 2Э(с1едгее)

Рис. 3.14. Малоугловая область рентгенограмм порошков для а -синтезированных и б - прокаленных образцов, приготовленных в различных условиях.

Измерения физисорбции азота показали, что образец А120з-Р123 продемонстрировал широкий диапазон распределения пор по размерам (5-16 нм) с пиком при 13,7 нм (рис. 3.13а). Петля гистерезиса (рис. 3.13а) на изотермах адсорбции-десорбции указывает на то, что поры в образце имеют преимущественно бутылкообразный тип. Удельная площадь поверхности образца составляла 295 м2/г с

о

объемом пор 1,01 м /г (табл. 3.3). В случае образца А1203-ПЭИ распределение пор по размерам было более узким и варьировалось от 2 до 10 нм с пиком при 8 нм (рис. 3.136). Объем пор образца составлял 0,672 см3/г с удельной площадью поверхности 306 м2/г. Образец А1203-ПКК продемонстрировал наибольшую площадь поверхности 333 м /г с объемом пор 0,78 см3/г. Кривая распределения размеров пор в образце была относительно узкой с пиком при 10,5 нм. Петля гистерезиса изотермы адсорбции-десорбции (рис. 3.13с) указывает на образование цилиндрических пор (тип А).

Табл. 3.3. Текстурные характеристики исследуемых образцов

Образец БЭТ (м2г-1) Уп (см3г-1) Вп (нм) ёю0 (нм)

А1203-ПЭИ 306 0,672 8 5,9

А1203-Р123 295 1,01 13,7 12,7

А1203-ПКК 333 0,78 10,5 10,6

Отличительной особенностью подхода, связанного с использованием полиэлектролитов или полимер-коллоидных комплексов, является возможность их химического взаимодействия с неорганической матрицей. Более того, благодаря наличию большому количеству реакционных групп на поверхности темплата, данный подход может быть использован для создания допированных композитов, поскольку возможность химического взаимодействия позволяет более равномерно внедрять каталитические сайты, не коалесцирующие между собой при прокаливании. Допирование, в частности, может рассматриваться не только как введение активного компонента, но и как способ регулирования пористой структуры. Этот подход будет рассмотрен в следующем разделе при создании медьсодержащих алюмооксидных мезопористых композитов для сорбции Pu (IV).

3.4. Взаимосвязь структурных особенностей мезопористого оксида алюминия

с его сорбционными характеристиками

Данный раздел посвящен исследованию регулирования текстурных характеристик мезопористого оксида алюминия, как средства варьирования сорбционных свойств. В частности, рассматриваются два подхода. В первом в качестве регулятора текстурных характеристик выступают наночастицы другого оксида металла (магнетита), выполняющие своего рода роль дефектов в основной матрице. Во втором изменение пористой структуры обеспечивают уже известный органический темплат -полиэтиленимин и допирующая добавка - ион меди, образующий оксид после прокаливания.

3.4.1. Мезопористые сорбенты с регулируемой пористой структурой для сорбции

ионов тяжелых металлов

В данной работе AЮOH ксерогели были допированы наночастицами магнетита (Fe3O4) в результате совместной соконденсации гидрозолей. Из-за высокой коллоидной стабильности гидрозолей, соотношение компонентов в финальных композитах может варьироваться в самых широких диапазонах: от чистого бемита, до магнетита. Удельная площадь поверхности при этом падает с 391м2/г до 122 м2/г, достигая максимума намагниченности 88 эму/г. Композиты исследовали на сорбционную способность ионов

О^У) и показали кинетику псевдопервого порядка, свидетельствующую о наличии хемосорбции. Было показано, что модель Ленгмюра лучше всего описывает кривые адсорбции, которые достигают значений от 23,5 до 62,4 мг/г для композитов с различным массовым содержанием бемита.

Для создания композитов AЮOH - Fe3O4 использовали соответствующие золи, приготовленные с применениием интенсивной УЗ-обработки [220, 221]. Благодаря сдвигу изоэлектрической точки и наличию гидроксильных групп, наночастицы имели высокие значения дзета-потенциала даже при нейтральных значениях pH и не подвергались седиментации во времени (рис. 3.15а, д).

Рис. 3.15. а - г - Характеристики гидрозолей бемита и д - з - магнетита, используемых для приготовления композитов. Внешний вид синтезированного а -бемита и д - магнетита; рентгенограммы б - бемита и е - магнетита; изображение ПЭМ наночастиц в - бемита и ж - магнетита; СЭМ изображение г - бемита и з - магнетита.

Гидрозоль оксида алюминия состоял из наночастиц бемита со средним размером кристаллитов 7x2 нм, в соответствии с данными, полученными методом просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения (рис. 3.15в). Наличие межплоскостного расстояния с шириной 0,271 нм подтверждает, что структура наночастиц является кристаллической и соответствует бемиту. Анализ гидродинамических параметров гидрозоля путем динамического светорассеяния

показывает на наличие узкого распределения частиц по размерам со средним гидродинамическим диаметром 74 нм. При нейтральном pH частицы бемита формируют гель, который седиментационно устойчив в течение продолжительного периода времени.

В свою очередь, в соответствии с данными ПЭМ, гидрозоль Fe304 состоит из частиц магнетита со средним диаметром 10±2 нм, имеющих морфологию усеченного октаэдра (рис. 3.15.ж).

Анализ методом динамического рассеяния света указывает на наличие узкого распределения частиц по размерам в гидрозоле с максимум 32 нм. Наночастицы магнетита формируют стабильный гидрозоль из-за высокого значения дзета потенциала (+36 мВ при pH = 7,4), притягиваясь к внешнему магнитному полю (рис. 3.16). Одинаково заряженные и высоко стабильные коллоиды оксидов могут быть смешаны друг с другом в любом соотношении без дестабилизации, обеспечивая высокую степень гомогенности (рис. 3.16). Уменьшение фракции Fe304 в смеси приводит к уменьшению магнитного отклика смеси с одновременным увеличением вязкости, что ведет к заметному падению притяжения гидрозоля к внешнему магниту.

Рис. 3.16. Визуальное представление гидрозолей оксидов железа и алюминия и их смесей. С уменьшением содержания магнетита в смеси, притяжение гидрозоля к

магниту падает.

После соконденсации гидрогелей магнетита и бемита образуются мезопористые ксерогели. Отсутствие пептизирующих агентов и молекул поверхностно--активных веществ на поверхности наночастиц позволяет формировать связи между частицами, стабилизируя матрицу и предотвращая ее спонтанное повторное диспергирование в водных средах. Исследование сформированных ксерогельных матриц методами ПЭМ и СЭМ показывает равномерное распределение компонентов в материале (рис. 3.17а-в). Равномерное распределение атомов по данным энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) доказывает отсутствие агрегации в процессе смешения или удаления растворителя (рис. 3.176). На рентгенограммах композитов присутствуют пики, связанные с обоими веществами (произведено сравнение с JCPDS файлами 04-002-3668 и 01-074-2898) (рис. 3.17г-е).

Рис. 3.17. Характеризация композиционных матриц A100H - Fe304. а - СЭМ изображение композита при содержании компонентов 1:1; б - ЭДС изображение композита; в - ПЭМ изображение композита; г-е - РФА композита с массовым соотношением Fe304 и A100H от 3:1 до 1:3, соответственно.

Текстурные свойства сформированных ксерогелей зависят от исходного соотношения компонентов. В то время как у чистых ксерогелей магнетита и бемита

площадь удельной поверхности составляет 122 м2/г и 391 м2/г, соответственно, удельная поверхность композиционных матриц линейно зависит от соотношения (рис. 3.18а). Такая же зависимость наблюдается у общего объема пор материалов, линейно

3 3

изменяющегося от 0,258 см /г для 100 процентного магнетита до 0,298 см /г для 100 процентного бемита. С другой стороны, зависимость размера диаметра пор имеет более сложный характер (рис. 3.186). Экспоненциальное падение среднего диаметра пор с увеличением массовой доли оксида алюминия объясняется двумя факторами. Во-первых, меньший размер кристаллитов наночастиц бемита благоприятствует образованию пор с меньшим диаметром. Во-вторых, различная морфология наночастиц (стержни в случае бемита и усеченные октаэдры для оксида железа) приводят к более плотной упаковке материала с увеличением массовой доли А100Н. Данное явление наблюдается при измерении среднего диаметра пор.

Alumina mass fraction Alumina mass fraction

Рис. 3.18. Текстурные свойства композиционных материалов. а - Измеренная методом БЭТ зависимость удельной поверхности, как функции массовой доли оксида

алюминия в композите; б - зависимость объема пор как функция от массовой доли AlOOH в композите; в - зависимость среднего диаметра пор как функция от массовой

доли AlOOH в композите.

Как было отмечено во введении к разделу, гибридные материалы, основанные на соответствующих оксидах, потенциально могут совмещать полезные свойства обоих компонентов. Например, высокую удельную площадь поверхности и, как следствие, высокие сорбционные свойства оксида алюминия, а также магнитные свойства магнетита, позволяя извлекать композитный материал магнитом и использовать повторно. Кривые намагниченности материалов показывают, что образцы ведут себя как

типичные суперпарамагнитные материалы и показывают высокие значения магнитного насыщения (рис. 3.19). При варьировании массовой доли магнетита, намагниченность

материала достигает значений 88 э.м.е./г для чистого магнетита что близко к значению природного магнетита (~ 92 э.м.е./г) [222].

■8000 -4000 0 4000 8000

Н, Ое

Рис. 3.19. Кривые намагниченности для композитных материалов.

В связи с высокими значениями намагниченности, композитный материал легко притягивается внешним магнитным полем и может быть магнитосепарирован. При помощи подбора массовых соотношений компонентов, возможно найти оптимальный баланс между намагниченностью и текстурными свойствами для конкретных целей и областей применения.

Совокупность большой удельной площади поверхности и высоких значений намагниченности делает данные композитные материалы перспективными в роли адсорбентов для очистки воды. Известно, что адсорбция хромат-иона на поверхности магнетита и бемита протекает через электростатическое взаимодействие с поверхностью, поэтому значение pH раствора оказывает значительное влияние на эффективность процесса определения заряда поверхности адсорбента и степени ионизации [223]. В водной среде поверхности обоих оксидов покрываются М-ОН группами, которые возможно протонировать или депротонировать, чтобы создавать заряд на поверхности М-ОН2+ или М-О- функций при значениях pH ниже или выше точки нулевого заряда, соответственно. Экспериментальные наблюдения дают значения изоэлектрических точек для Fe304 и A100H при рН=8 и рН=10, соответственно, поэтому при значениях pH ниже 8 поверхности обоих материалов протонируются, и поверхность частиц заряжается положительно. Положительно заряженная поверхность частиц

предпочтительна для электростатической адсорбции хромат-анионов. При низком pH,

2_ _ 2_ 2_

различные анионы & (Сг207 , HCr04 , Сг3010 , Сг4013 ) совместно существуют в воде

[151]. При pH 2-3 HCrO4- принимают за основную форму адсорбированных хроматов из-за его низкой свободной энергии адсорбции ((от -2,5 до -0,6 ккал/моль) [224]. Рост значения pH ведет к резкому снижению эффективности удаления &6+, так как точки поверхности M-OH2+ стремительно превращаются в M-O-, электростатически отталкивая хромат-ионы.

« • Ре

•О % ш

% * ( г % _% *

• Ыш • УГ V ) Г

• А1

• О % < —

_ 1

V -гГ ¿У • V- 9

Рис. 3.20. Механизм адсорбции хромат-ионов на поверхности а - магнетита и б -бемита.

Механизмы, ответственные за адсорбцию хрома на поверхности магнетита и бемита, показаны на риа 3.21. Показанная область решетки магнетита содержит как Fe2+, так и Fe3+. Адсорбция ионов CrO42- показана в области поверхности Fe3+ (рис. 3.20а), хотя в этом процессе может быть задействована как область поверхности Fe2+, так и Fe3+. Адсорбция хромат-ионов представлена образованием двухслойной (хелатной) связи с поверхностью. Однако, однократное соединение Fe-O-Cr также будет иметь место. Очевидно, что соотношение Fe2+/Fe3+ областей является произвольным в этих идеализированных моделях. Аналогично, НСг04- и Сг04 - будут находиться в равновесии в растворе. Также, они оба будут конкурировать в том, чтобы вступить в реакцию на поверхности [223].

В случае бемита, адсорбция в первую очередь происходит за счет статического взаимодействия (рис. 3.20б). Адсорбция подавляется при низком значении pH и высокой ионной силе [225].

Кинетические кривые, полученные при адсорбции О^УГ) из водных растворов на наночастицы композита, показаны на рис. 3.21а. Эти кривые ясно показывают, что сорбционное равновесие зависит от состава материала. Построение t/qe в зависимости от времени (рис. 3.21 б) дает очень хорошие линейные зависимости для процесса адсорбции на материалах с разной массовой долей компонентов. Это доказывает, что механизм процесса сорбции описывается уравнением второго порядка [226]:

где k2 - константа псевдо-второго порядка.

О 10 20 30 40 50 60 70 8' 0 20 40 60 80 100

Се ( mg/L) Time, min

Рис. 3.21. Кривые адсорбции ионов Cr(IV) на композитных материалах. а -Кинетическая кривая адсорбции; б - кинетика псевдо-второго порядка для адсорбции Cr(VI) (b).

С целью исследования процесса адсорбции, была произведена апроксимация изотерм адсорбции при помощи уравнений Ленгмюра [227] и Фрейндлиха [228] (табл. 3.4). Теория изотермы Ленгмюра имеет следующие фундаментальные допущения: (1) поверхность адсорбента гомогенна; (2) адсорбция является мономолекулярной; (3)

взаимодействие между молекулами адсорбата отсутствует [227]. Уравнение Ленгмюра записывается в линеаризованной форме следующим образом:

.

Се (мг/л) - равновесная концентрация О^УТ), де (мг/г) - равновесная сорбционная емкость ^^^ qm (мг/г) - монослойная емкость (максимальная сорбционная емкость, соответствующая полному заполнению монослоя), Кь (л/мг) - константа Ленгмюра (адсорбционный коэффициент, зависящий от энергии адсорбции и температуры). Важная особенность К состоит в том, что возможно ее использование для предсказания аффинности между ионами металла и адсорбента. Теория изотермы Фрейндлиха отличается от модели идеальной адсорбции изотермы Ленгмюра тем, что она допускает неоднородность поверхности адсорбента. Уравнение Фрейндлиха описывается в линеаризованной форме следующим образом [228]:

Где Кр и п - константы изотермы Фрейндлиха, относящиеся к адсорбционной емкости и адсорбционной силе адсорбента, соответственно. Параметр Кр представляет адсорбционную емкость. Наклон 1/п принимают за стандарт оценки благоприятности процесса адсорбции. Обычно, если 1/п находится в диапазоне от 0 до 1, то процесс адсорбции считается благоприятным. Параметры изотермы адсорбции и коэффициенты корреляционной регрессии приведены в табл. 3.4.

Табл. 3.4. Параметры изотермы адсорбции и коэффициенты корреляционной

регрессии

Массовая доля AЮOH Ленгмюр Фрейндлих

qm 1/п

0 23,51 22,41 0,951 2,52 0,341 0,854

0,25 33,41 25,97 0,964 2,58 0,364 0,867

0,5 43,65 27,31 0,941 2,74 0,322 0,871

0,75 52,87 30,45 0,971 3,12 0,387 0,837

1 62,41 35,78 0,961 4,51 0,391 0,872

Можно заметить, что модель Ленгмюра лучше подходит для экспериментальных

^ 2

данных из-за более высоких значений R (> 0,941). Это может быть результатом равномерного распределения активных областей на поверхности адсорбента. Значения 1/п находятся в диапазоне 0-1 для всех образцов, что указывает на благоприятную адсорбцию. Адсорбционная способность материалов постепенно возрастает с увеличением массовой доли оксида алюминия в корреляции с изменением удельной площади поверхности, определяемой физической адсорбцией азота. По сравнению с ранее открытыми адсорбентами, данные композиты имеют значительно большую сорбционную емкость. Это можно объяснить большей удельной поверхностью и более высоким насыщением поверхности гидроксильными группами из-за условий синтеза.

Для того, чтобы исследовать потенциал повторного использования материалов, были проведены эксперименты по десорбции. С этой целью материалы подвергались трем циклам адсорбции-десорбции. При первом цикле уровень регенерации варьировался от 92 до 96 процентов (рис. 3.22), а при втором цикле он стал постоянным. Высокие значения намагниченности позволяют магнитно отделять сорбент даже в композитах с самой низкой массовой долей магнетита из тестируемых, тогда как отделение образца на основе бемита требует дополнительного центрифугирования.

Рис. 3.22. Возможность повторного использования композитных материалов.

Композитные сорбенты на основе Fe3O4 и AЮOH можно регенерировать промыванием NaOH (0,005 M) со степенью рекуперации до 96 процентов. Учитывая превосходную адсорбционную способность и возможность десорбции, эти композиционные образцы могут найти широкое применение, особенно для очистки воды.

3.4.2. Мезопористые сорбенты Ри (IV)

В данном разделе описано получение допированного и недопированного мезопористого у-оксида алюминия для исследования взаимосвязи пористой структуры и сорбционной способности по отношению к Pu (IV) в растворах азотной или щавелевой кислот

В работе проведено сравнительное исследование трех образцов оксида алюминия. Первый был приготовлен с использованием полиэтиленимина Мп = 10000 (-NHCH2CH2-^ [-N(CH2CH2NH2) CH2CH2-]y. Второй образец синтезировали с применением полимер-коллоидного комплекса, состоящего из ПЭИ и хлорида цетилтриметиламмония (СТАС) в соотношении 1:1. Третий - оксид алюминия, допированный оксидом меди (СиО), получали добавлением 0,25 г Си(КО3)2-2,5Н2О в раствор ПЭИ перед введением бемитового золя.

Рентгенограммы трех образцов (рис. 3.23) подтвердили наличие фазы у-оксида алюминия:

Рис. 3.23. Рентгенограммы прокаленных образцов.

. Удельная площадь поверхности и объем пор образцов, прокаленных при 600 °С, приведены в табл. 3.5.

Табл. 3.5. Площадь поверхности, объем пор и размер пор синтезированных

образцов

Образец Удельная площадь поверхности (м2/г) Объем пор (см3/г) Размер пор (диаметр) (А)

1 250,7 0,67 40-130

2 218,7 0,84 60-140

3 239,5 0,34 30-70

Распределение пор по размерам и объем пор образцов показаны на рис. 3.24.

2 3

Площадь поверхности и объем пор образца 1 составили 250,7 м /г и 0,67 см /г соответственно, с диапазоном пор от 40 А до 130 А, при максимуме в 70 А. Для образца

2 3

2 площадь поверхности и объем пор равнялись 218,7 м /г и 0,84 см /г соответственно. Диапазон размеров пор составлял 60 А до 140 А с максимумом при 100 А. Для образца 3

2 3

площадь поверхности достигала 239,5 м /г, а объем пор 0,34 см /г с размером пор от 30 до 70 А и максимальным пиком при 50 А.

Г (А)

Рис. 3.24. Распределение пор по размерам и объем пор на синтезированных

образцах.

Изотермы адсорбции-десорбции образцов указывают на тип D пор [229] (рис. 3.25). Петли гистерезиса на изотермах, как показано на рис. 3.25, указывают на наличие цилиндрических пор [230]. Резкий подъем кривой выше значений парциального давления P/Po = 0,8 для образца 2 говорит о наличии больших пор, имеющих однородный размер. Это видно из данных по объему пор и кривой распределения пор по размерам для данного образца (рис. 3.24). Для двух других образцов аналогичное увеличение адсорбции не наблюдалось, что указывает на то, что размеры пор образцов 1 и 3 были меньше, чем у образца 2, что также подтверждается результатами, приведенными в предыдущем разделе. Уменьшение объема и размера пор в образце 3 объясняется введением Си(К03)2 непосредственно во время золь-гель синтеза бемита с последующим его превращением в CuO и осаждением в порах матрицы в ходе прокаливания.

Рис. 3.25. Изотермы адсорбции-десорбции азота на синтезированных образцах.

Микрофотографии (рис. 3.26) образцов также свидетельствуют о том, что их внутренняя структура отлична, поскольку они имеют разную степень прозрачности. Это может происходить ввиду неоднородности пористой структуры или ее отсутствии. СЭМ-фотографии образцов (образец-1: увеличение в 25000 раз , образец-2: увеличение в 25000 раз и образец 3: увеличение в 30000 раз) приведены на рис. 3.27. Размер пор образца - 2 больше, чем у двух других образцов. Из фотографий SEM видно, что

несмотря на то, что все три образца имеют высокую пористость, размер пор образцов уменьшается в следующем порядке: 2 > 1 > 3. В связи с этим объем пор образцов также уменьшился в том же порядке. Эти наблюдения согласуются с данными по распределению пор по размерам и анализу пористости (рис. 3.24 и табл. 3.4).

Рис. 3.26. Микрофотографии синтезированных образцов.

Рис. 3.27. СЭМ изображения синтезированных образцов.

В табл. 3.5. приведены данные о коэффициентах распределения Pu (IV) на синтезированных образцах оксида алюминия при различных концентрациях щавелевой кислоты в 1М ИЫ03.

Табл. 3.5. Изменение коэффициента распределения Pu (IV) в HNO3 с различными концентрациями щавелевой кислоты в синтезированных образцах

Образец Коэффициент распределения в смеси 1 М HNO3 + щавелевая кислота

0,2 М И2С204 0,1 М И2С204 0,05 М И2С204

1 77 * 310 * 35 *

2 82 430 40

3 68 162 26

В диапазонах концентраций от 0,05 до 0,2 М Н2С204 коэффициенты распределения были достаточно высоки, что указывает на возможность сорбции Ри (IV) из оксалатных супернатантов [231]. Максимальные значения наблюдались для всех образцов при концентрации щавелевой кислоты 0,1 М. Максимальные значения по сорбции наблюдались у образца 2. При низких (менее 0,05 М) концентрациях щавелевой кислоты, сорбционная способность существенно падает, что может быть объяснено тем

фактом, что при данных значениях Ри (IV) в основном существует как анионный

2_

комплекс [Ри(С204)3] [232]. Уменьшение сорбции Ри (IV), наблюдаемое при более высоких концентрациях Н2С204, может быть связано с конкурентной сорбцией оксалат-иона.

В ходе исследования было показано, что метод соконденсации может быть использован и при создании допированного мезопористого оксида алюминия. Важно учитывать, что помимо равномерного распределения оксида меди по поверхности носителя, данный подход также влияет и на изменение текстурных свойств образцов: поскольку толщина стенки поры увеличивается, а диаметр пор уменьшается. В частности, это отражается и на сорбционной способности оксида алюминия. Сорбция Ри(1У) из раствора азотной и щавелевой кислоты была наивысшей на образце с максимальным диаметром пор, в то время как на образцах с большей удельной площадью поверхности, но с меньшим диаметром пор данные показатели были примерно в 1.2 раза ниже. В следующем разделе будет показано, что данный способ введения каталитически активных сайтов на этапе синтеза, также позволяет создавать мезопористые катализаторы повышенной эффективности и равномерным распределением каталитических сайтов по поверхности.

3.5. Исследование каталитической активности микросфер допированного

мезопористого оксида алюминия

В последние годы наблюдается большой интерес к синтезу катализаторов, которые могут быть использованы для дегидратации метанола в диметиловый эфир (ДМЭ), который рассматривается как альтернативный экологически чистый вид топлива [237 - 239]. Хорошо известно [233 - 241], что текстурные свойства мезопористого у-

Al203 существенно влияют на протекание каталитической дегидратации. Наличие узкого распределения пор по размерам и каталитических сайтов, высокой площади поверхности приводит к увеличению каталитической активности [242]. Основной рассматриваемой в настоящее время каталитической системой является композиция Си0^п0-АЬ03.

Получение равномерно допированных материалов по классической технологии пропитки затруднено в связи с неравномерной диффузией и появлением градиента концентраций. В этом отношении концепция темплатного золь-гель подхода, сочетающая одновременный ввод и реакционное связывание прекурсоров каталитически активных фаз представляется гораздо более эффективной. Химически инициируемое гелеобразование с использованием КН3 или физическая конденсация путем выпаривания при температуре окружающей среды с последующей дегидратацией золей. Для синтеза катализатора Cu0-Zn0-Al203 получение водных золей СиО и ZnO невозможно из-за их высокой растворимости. В разделе будут представлены результаты сравнительного исследования текстурных свойств допированных (СиО и СиО + ZnO) и недопированных мезопористых систем на основе у-оксида алюминия во взаимосвязи с их каталитической активностью.

Микросферы катализаторов готовили по методу конденсации в силиконовом масле. Для этого изопропоксид алюминия гидролизовался в воде (> 80 °С) в присутствии НЫ03 ([кислота]/[А1] = 0,05). Небольшое количество предварительно охлажденного золя, содержащего 3М гексаметилентетрамина (ГМТА) и мочевины, добавляли к охлажденному золю оксида алюминия. Затем автоматически выдавливаемые капли пропускались через горячее силиконовое масло (~ 90 ° С). Мезопористые образцы с различным содержанием активной фазы: чистый у-А1203 (образец-1); содержащий 5% Си0 (образец-11); 4% Си0 + 1% Zn0 (образец-111); 3%Си0 + 2% Zn0 (образец-1У) и 2% Си0 + 3% Zn0 (образец-У) были также получены путем добавления требуемых количеств Си(Ы03)2 и Zn(N03)2 непосредственно к золю перед гелеобразованием. Полученные сферы отмывали четыреххлористым углеродом СС14 и сушили при комнатной температуре с последующим прокаливанием при 600°С в течение 2 часов.

На рис. 3.28 изображен внешний вид микросфер (размер от 500 до 800 мкм), характерный для всех полученных систем:

Рис. 3.28. Внешний вид приготовленных мезопористых катализаторов: а - образец I;

б - образец II; в - образец III.

Изменение окраски от белого к зеленоватому свидетельствует о наличии допанта (в нашем случае Cu и/или Zn). Как и в предыдущих исследованных системах, наночастицы бемита трансформируются в гамма оксид алюминия с равномерно расположенными каталитическими сайтами. Текстурные характеристики образцов также представлены в табл. 3.6.

Табл. 3.6. Удельная площадь поверхности и объем пор образцов

Образец Удельная площадь поверхности (м2/г ) Объем пор (см3/г)

Y-AI2O3 244 0.41

y-Al2O3+5% CuO 235 0.34

у-АЬОз+4% CuO+1% ZnO 235 0.35

y-Al2O3+3% CuO+2% ZnO 234 0.30

y-Al2O3+2% CuO+3% ZnO 235 0.30

Изотермы адсорбции-десорбции (рис. 3.29) свидетельствуют о наличии бутылкообразных и цилиндрических пор.

Рис. 3.29. Изотермы адсорбции-десорбции синтезированных образцов.

Распределение пор по размерам допированных и недопированных композитов также представлено на рис. 3.30, где отчетливо видно, что образцы имеют узкое распределение, в основном сконцентрированное в диапазоне от 30 до 60 А, причем образец - I имеет поры максимального размера ~ 60 А.

Рис. 3.30. Распределение пор по размерам на синтезированных образцах.

Уменьшение диаметра пор в допированных системах дополнительно подтверждает тот факт, что каталитические сайты располагаются на внутренней поверхности поры. Если сравнивать медь и цинксодержащие композиты, то также прослеживается закономерность: из-за большего ионного радиуса Zn2+, данные катализаторы имеют минимальные значения диаметра пор.

СЭМ изображения поверхности (а, б, в, г) и кросс-секции (д, е, ж, з) прокаленных образцов (образца-I, образца-II, образца-Ш и образца-IV) показаны на рис. 3.31. Данные свидетельствуют о том, что полученные сферы обладают развитой пористой структурой. В частности, сравнение рис. 3.31а и 3.31д позволяет заметить, что диаметр пор на поверхности меньше диаметра пор внутри композита, что характерно для бутылкообразного типа пор. Это также подтверждает форма петли гистерезиса, полученной из изотермы адсорбции-десорбции. Вместе с тем, отчетливо прослеживается, что диаметр пор уменьшается с уменьшением содержания CuO и увеличением содержания ZnO в образцах. Зависимость размерам пор среди полученных систем можно объединить в следующую схему: образец-1> образец-П> образец-Ш> образец-!^ образец-V.

i *

СИет151гу Р1у|51оп, ВАЯС зе| ^ а 7 1 20 00 „у Х30к 1цт

СИет^гу 0М5|оп, ВАРС 8Е| = 20.00 XV ХЗОК 1ит

Рис. 3.31. а, б, в, г - СЭМ изображения поверхности и д, е, ж, з - кросс-секции прокаленных образцов (образца-1 (а,д), образца-П(б,е), образца-Ш (в,ж) и образца-IV

(г,з)).

Энергодисперсионный анализ, выполненный с поверхности и с кросс-секции также свидетельствует о том, что допант равномерно распределяется по все площади катализаторов, о чем свидетельствовало одинаковое соотношение Al/Cu и/или Al/Zn.

В табл. 3.7 приведены данные о превращении метанола в ДМЭ на синтезированных катализаторах при различных температурах.

Табл. 3.7. Степень превращения метанола на различных образцах в зависимости от

температуры

Температу ра (°C) . Степень превращения метанола в диметиловый эфир

Y- AI2O3 Y-A12O3 (5% CuO) Y-AI2O3 (4%CuO+1%Z nO) Y-A12O3 (3% CuO+2%ZnO) Y-AbO3 (2% CuO+3%ZnO)

150 0 0 0 0 0

175 0 0 0 0 0

200 0 1 0 0 0

225 0 3 5 1 0

250 0 8 13 6 3

275 1 19 34 18 7

300 2 60 75 40 15

325 6 97 100 67 30

350 13 100 100 92 42

Как и следовало ожидать, допированные образцы y-Al2O3 показали значительно более высокую степень превращения по сравнению с недопированными (рис. 3.32 слева). Максимальная дегидратация метанола на образце I (y-Al2O3) составила всего 13% при 350 ° С, в то время как для образца II (y-Al2O3 с 5 мас.% CuO) и образца-III (y-Al2O3 с 4 мас.% CuO +1 мас.% ZnO), конверсия составила 100%. Образец-III дает 100% превращение метанола в ДМЭ уже при 325 ° С. При 300 °С дегидратация метанола на том же образце составила- 75% (рис. 3.33), хотя площадь поверхности образцов очень близка друг к другу (~ 235 м2/г). Эффективность конверсии метанола снижалась с увеличением концентрации ZnO. Каталитическая активность образцов уменьшалась в

порядке образец-111> образец-11> образец-1У> образец У> образец-1. у-Л1203, допированный 4 % СиО и 1 % 2и0 (образец-111) показал наиболее высокую эффективность дегидратацию в ДМЭ среди всех образцов. По результатам хроматографического анализа продуктов реакции было показано, что побочных продуктов, таких как ИСИО, Н2 и СО, при этом не образуется. Далее мы постараемся рассмотреть полученные результаты более подробно.

Рис. 3.32. График конверсии метанола в диметиловый эфир при различных температурах (слева) и термопрограммируемое восстановление (справа) полученных

мезопористых микросфер.

Результаты термопрограммируемого восстановления (рис. 3.32 справа) подтвердили данные каталитической активности. Слабая конверсия метанола на у-оксиде алюминия связана с наличием гидроксильных центров на поверхности микросфер, что отражено в виде широкой полосы, наблюдаемой на этом образце в профиле ТПВ. Вместе с тем, при введении допантов, профили ТПВ сдвигалась к меньшим температурам, что связано с их равномерным распределением. Это наблюдение согласуется с результатами, полученными при каталитическом разложении метанола на ^-содержащем образце, на котором образовывалось большое количество метокси-групп при 300-325°^ которые уже после адсорбции на у-Л1203 в конечном счете превращались в ДМЭ. ZnO стабилизировал кристаллиты образующиеся в результате восстановления и

одновременно их промотировал [240]. Следовательно, на образце-Ш наблюдалась максимальная. Для образцов-^ и V с более низким содержанием CuO каталитическая

дегидратация метанола до ДМЭ была ниже, чем у образцов III и II. С увеличением содержания ZnO каталитическая активность снижалась из-за увеличения неактивной фазы ZnAl2O4 [243] на поверхности пор.

В данном разделе мы показали, что разработанный подход может быть использован не только для управления мезопористой структурой, но и для равномерного нанесения каталитически активных фаз по поверхности матрицы.

Глава 4

Методы золь-гель соконденсации для получения биокомпозитов на основе оксигидроксида алюминия

Основным препятствием на пути использования для медицинских целей биологически активных композитов, получаемых методами золь-гель технологии, является отсутствие разрешений регулирующих органов на использование для парентерального введения наиболее изученного для этих целей объекта - оксида кремния. В то же время, оксид кремния признан безопасным для широкого использования в качестве добавки к продуктам питания и лекарственным препаратам Нами предложен один из путей решения этой проблемы - замена оксида кремния оксигидроксидом алюминия (бемитом). Известно, что бемит/псевдобемит является одним из немногих металлических оксидов, который одобрен для парентерального введения в качестве адъюванта используемых в настоящее время вакцин [244, 245].

В данной главе описаны методики золь-гель синтеза оксигидроксида алюминия и способ его соконденсации с ферментами, демонстрирующими высокую термостабильность в энтрапированном состоянии. Следует отметить, что предлагаемый метод иммобилизации высокомолекулярных соединений существенно отличается от адсорбции и инкапсулирования. Совместная соконденсация обеспечивает уникальные условия организации внутренней структуры биокомпозитов, обеспечивая стабильность ферментов в условиях повышенных температур, широком интервале pH и длительном временном диапазоне. Нами предложено использование термина энтрапирование (транслитерация с англ. «entrapment») для описания этой разновидности иммобилизации.

Методы соконденсации золя оксида алюминия с органическими и биологическими объектами развиты очень слабо, тем не менее, в литературе есть примеры энтрапирования небольших молекул [246], ферментов [247-249] и даже бактерий E.coli [250]. Нами рассмотрены возможности создания и использования конденсированных золь-гель биокомпозитов на основе оксигидроксида алюминия в качестве потенциальных кандидатов для доставки лекарственных препаратов. Основное внимание сосредоточено на решении следующих задач: (I) показать, что оксид алюминия, полученный золь-гель методом, идентичен используемому в вакцинологии;

(II) разработать новые методики энтрапирования в оксид алюминия, подходящие для белков, в том числе новый метод приготовления золь-гель материалов на основе оксида алюминия с использованием ультразвука при нейтральных значениях рН; (III) показать, что соконденсация белков значительно повышает их термическую стабильность.

4.1 Синтез и исследование термостабильности альбуминов,

конденсированных в матрицу оксигидроксида алюминия

Исследованы три белка семейства альбуминов: овальбумин (ОВА), бычий сывороточный альбумин (БСА) и человеческий сывороточный альбумин (ЧСА), для которых были использованы различные методы энтрапирования, обозначенные символами I-IV. В дальнейшем будет использоваться следующее обозначение: белок@оксид алюминия-метод (например, БСА@оксид алюминия-IV), где белком является ОВА, БСА или ЧСА, а методы (как описано в разделе использованные материалы и методы): I - катализируемый NaF, II - пептизация с уксусной кислотой, III - пептизация с азотной кислотой, и IV - приготовление при помощи ультразвука при

и тт и u и

нейтральном рН, который является основной методикой для получения золя в нейтральных значениях pH.

Краткое описание методов получения золя бемита и энтрапирования белков представлено ниже

Метод I.

Золь бемита получали следующим образом: 2,837 г Al(i-PrO)3 гидролизовали в течение 45 мин в 50 мл бидистиллированной воды при 85 °С. Затем добавляли 1,67 мл 1 М HCl и повышали температуру до 95 °С для ускорения процесса пептизации. Полученный золь подвергали обработке на роторном испарителе для удаления изопропанола до тех пор, пока общий объем смеси не станет 25 мл, который затем повторно доводили до 50 мл бидистиллированной водой (15 мг Al3+ на миллилитр золя) (оксид алюминия-I).

Второй этап (энтрапирование белка) проводили следующим образом: 45,4 мг ОВА класса V растворяли в 42 мл 25 мМ L-гистидинового буфера при рН=6,91. Затем 4,0 мл буферного раствора добавляли к 1,0 мл золя оксида алюминия, перемешивали и оставляли на 1 час во льду. Затем 100 мкл 50 мгмл-1 раствора NaF добавляли к 5,0 мл

золя с белком при перемешивании. Раствор медленно мутнел, и образовывался гель. Смесь центрифугировали в течение 10 мин при 5000 об/мин и затем оставляли при 4 °С на 10 дней для старения геля. Надосадочную жидкость удаляли и оставшийся гель помещали в вакуумный эксикатор на 3-7 дней для формирования ксерогеля (ОВА@оксид алюминия-!).

Вышеуказанные соотношения дают композитный материал состава 7,2 мкг ОВА-25 мкг А1 , который содержит приблизительно 10% ОВА по массе. Методы II и III.

Использована процедура Йолдаса, состоящая в пептизации осадка гидроксида алюминия в кислотах: уксусной кислоте (оксид алюминия-П) или азотной кислоте (оксид алюминия-Ш). 3,28 г А1(С3И70)3 добавляли к 50 мл деионизированной воды, где сразу образовывался белый осадок. Осадок пептизировали 0,2 мл концентрированной азотной кислоты или 2,0 мл уксусной кислоты при 90 °С и интенсивном перемешивании в течение 2 ч (также для испарения изопропанола, образовавшегося при гидролизе), при этом образовывался устойчивый прозрачный золь бемита (6,7 мг и 6,5 мг А13+ на мл золя, соответственно). Показатель рН конечного раствора составлял 2,8 (4,8 в уксусной среде).

Второй этап (энтрапирование альбумина) проводили путем растворения 0,03 г белка (БСА и ЧСА для систем оксид алюминия-П и оксид алюминия-Ш, соответственно) в 20,0 мл золя бемита при комнатной температуре. Суспензию выдерживали в течение 3 ч и сушили при 20 °С в течение недели. Термогравиметрический анализ указывает на ~8 мас.% содержание белка для обоих образцов. Метод IV.

Белый осадок гидролизата А1(1-Рг0)3 подвергали ультразвуковой обработке (37 кГц, 0,063 кВт) в течение 4 ч (конечный рН = 7,3). Через 4 ч образовывался вязкий золь.

Второй этап - энтрапирование альбумина - проводили при комнатной температуре путем растворения 0,03 г белка в 20,0 мл золя оксида алюминия (IV): с БСА получали БСА@оксид алюминия-^, или с ЧСА - ЧСА@оксид алюминия-^. Суспензию обрабатывали, как описано выше, и получали ~8 мас.% содержание белка.

Следует отметить, что использование уксусной кислоты и, в частности, ультразвуковой обработки для получения золя приводит к значениям рН реакционной

массы 4,8 и 7,3, соответственно, что соответствует оптимальному диапазону, при котором молекулы альбумина и частицы имеют противоположные заряды, обеспечивая необходимое для энтрапирования электростатическое взаимодействие.

Изучение свойств полученных композитов было сосредоточено на иследованиях текстурных особенностей и характеристик белковых компонентов.

Из шести кристаллических фаз оксида алюминия в настоящее время в качестве адъюванта в вакцинах используют только бемит (псевдобемит). Рентгенофазовый анализ всех образцов показал типичную структуру бемита (рис. 4.1), а анализ по уравнению Шеррера дает элементарный размер кристаллитов в несколько нанометров (обычно 3-4 нм).

8 10 20 30 40 50 60 70

20

Рис. 4.1. Дифрактограмма для ОВА@оксид алюминия-1. Красные линии - литературные пики для бемита, используемого в качестве адъюванта при изготовлении вакцин.

Анализ площади поверхности и пористости, также подтвердил наличие мезопористой структуры, которая незначительно изменяется при энтрапировании белка. Так, оксигидроксид алюминия, полученный ультразвуковым методом, имел площадь поверхности 246 м г , объем пор 0,23 см г и размер пор ~ 4 нм. После энтрапирования наблюдалось увеличение площади поверхности до 370 и 356 м2г-1 для образцов, содержащих БСА и ЧСА, соответственно, при этом средний размер пор практически не

менялся. По-видимому, белок оказывает разрыхляющее действие, что приводит к более пористой структуре.

Стабильность белков существенно ограничивает их использование для различных медицинских и промышленных применений, требуя специального режима хранения. Именно по этой причине наблюдение повышенной устойчивости ферментов в золь-гель матрицах привело к многочисленным исследованиям этого эффекта [251-253]. Подавляющее большинство работ были проведены на золь-гель матрицах оксида кремния, в то время как на оксиде алюминия такие исследования не проводились. В это же время, возможность парентерального введения делает эту потенциальную стабилизацию актуальной. Новизной в данной работе является также то, что исследования стабильности были проведены с использованием метода, который (по нашим сведениям) не был использован до сих пор в исследованиях стабильности энтрапированных в золь-гель материалы белков, а именно дифференциальная сканирующая калориметрия (ДСК). Традиционно ДСК используют для наблюдения фазовых переходов в материалах, менее известным является использование ДСК для определения фазовых переходов в белках, связанных с процессом денатурации. Действительно, белки демонстрируют пик ДСК при нагревании (либо исходной кривой или ее второй производной - и то, и другое мы используем ниже). То же самое наблюдается и для адсорбированных белков [254], для которых зачастую происходит обратный эффект: снижение температуры денатурации [255, 256].

Как было показано, температура денатурации ОВА сдвигается на 30 градусов при энтрапировании по методу I после трех дней старения и достигает 100 °C, чрезвычайно высокой температуры для денатурации. Подобная стабилизация наблюдается и для БСА@оксид алюминия-II и III. Исключительно высокая стабилизация была получена для ЧСА в системе ЧСА@оксид алюминия-IV: на 54 °С до температуры денатурации в 120 °C.

Рис. 4.2. Постепенное смещение температуры денатурации в сторону более высоких температур при старении ксерогеля А100Н, содержащего ОВА.

Рис. 4.2 показывает еще один признак стабилизации при энтрапировании в А100Н: стабилизация ОВА меняется в зависимости от времени старения допированного геля А100Н (метод I). Для свежеприготовленного ксерогеля среднее значение ДСК пика находится лишь при ~ 47 °С. После одного дня старения среднее значение пика смещается к отметке 60 °С. За два дня достигает уже 75 °С. После трех дней достигается максимум - 100 °С.

Источником наблюдаемой термической стабилизации,по-видимому, являются следующие факторы: во-первых, керамический каркас очень жесткий и препятствует движениям полипептидных цепей, приводящим к денатурации; во-вторых, термическая дестабилизация включает потерю молекул воды, а нанопоры стенок очень плотно удерживают молекулы воды и таким образом защищают белок от разрушительной дегидратации.

Итак, в ходе выполнения первичных исследований нами были разработаны методы недеструктивного энтрапирования белков в матрицу из оксигидроксида алюминия. Показано, что ДСК может служить чувствительным инструментом для анализа термической стабильности энтрапированных белков. С помощью данного метода обнаружили значительную стабилизацию энтрапированных в оксид алюминия белков, доказав, что максимальный стабилизирующий эффект был обнаружен в системе ксерогеля оксигидроксида алюминия, получаемого ультразвуковой обработкой. В связи с чем, в следующей главе будут более детально рассмотрены аспекты его получения и

исследован механизм термостабилизации в зависимости от условий иммобилизации (адсорбция и энтрапирование).

4.2. Получение кристаллических гидроколлоидов бемита при нейтральных

значениях рН

Для разработки парентеральных золь-гель систем помимо наличия биосовместимой оксидной матрицы коллоид должен также отвечать следующим требованиям: 1) высокая стабильность золей; 2) отсутствие денатурирующих стабилизаторов и пептизаторов; 3) малая чувствительность к рИ раствора; 4) вода в

и т-ч __и

качестве основной среды золя. В настоящее время получение гидрозолей оксида алюминия зачастую осуществляется по методу Йолдаса, предусматривающему получение осадка с последующей пептизацией кислотами и хелатирующими агентами. Несмотря на то, что попытки создания подобных кристаллических золей в мягких условиях ведутся уже давно все они либо предусматривают введение денатурирующих веществ в небольшом количестве, либо стабилизаторов, которые, как правило, не имеют одобрения на парентеральный ввод.

Поскольку, как было доказано в предыдущем разделе, наибольший эффект по стабилизации наблюдался в системе, полученной при ультразвуковой обработке, в данной главе будет сделан упор на более детальном описании методики синтеза и исследованию влияния облучения на дзета-потенциал и дезагрегацию коллоидных наночастиц. Приводится сравнительный анализ текстурных характеристик ксерогелей в зависимости от времени обработки. На примере энтрапирования яичного альбумина показано влияние агрегационной устойчивости коллоидных золей на термическую стабильность белка после соконденсации.

Краткое описание метода синтеза представлено ниже:

Изопропоксид алюминия гидролизовался в предварительно нагретой до 85 °С деионизированной воде при непрерывном перемешивании (400 об/мин) в течение 15 минут. За это время формируются нанокристаллы бемита и завершается испарение образовавшегося за время гидролиза изопропанола. Далее полученная суспензия подвергалась ультразвуковой обработке (37 кГц, 110 Ватт) при непрерывном перемешивании (300 об/мин) в течении 120 минут. Полученный бемитовый золь

охлаждали до комнатной температуры. Массовая концентрация полученного золя составляет 1.9 %. Энтрапирование альбумина проводили при комнатной температуре путем растворения 0,03 г белка в 20,0 мл золя оксида алюминия с последующей физической конденсацией золя.

Стабильные золи бемита получаются только после 120 минут ультразвуковой обработки (рис. 4.3). При меньшем времени озвучки золи быстро седиментируют с образованием осадка в нижней части кюветы. Поскольку золи были получены исключительно при помощи физического активирования (химические пептизаторы не применялись в условиях синтеза) необходимо определить факторы стабилизации коллоидных систем в зависимости от времени ультразвуковой обработки.

Рис. 4.3. Внешний вид кристаллических коллоидных золей на основе бемита, полученных при помощи различного времени (минут) ультразвуковой обработки.

Известно, что стабильные золи получаются после порогового значения дзета-потенциала ± 30 мВ. Достижение заданного параметра позволяет значительно повысить силы электростатического отталкивания и нивелировать межчастичное взаимодействие, приводящее к коагуляции коллоидов. Согласно данным динамического светорассеяния, заданное значение дзета-потенциала достигается после 90 минут ультразвуковой обработки бемитового золя. Вместе с тем, максимальное значение дзета-потенциала 45 мВ достигается спустя 120 (табл. 4.1). Дальнейшая обработка в ультразвуке приводит к постепенному уменьшению дзета-потенциала, что приводит к дестабилизации системы.

Табл. 4.1. Обобщенные данные полученных материалов

Время г- Диаметр Размер Площадь Объем Средний Температура

Система УЗ, потенциал, наночастиц, кристал- поверхности, пор, диаметр денатурации

мин мВ нм лита, нм м2/г см3/г пор, нм ОВА, °С

Золь А100Н 30 25.6 117 4.5 329 0.279 3.38 97

60 30.9 111 4.7 387 0.315 3.25 120

90 42.3 94 5.0 431 0.336 3.11 123

120 47.8 76 5.2 405 0.334 3.04 126

150 46.5 88 6 373 0.331 3.36 118

180 45.9 93 6.8 360 0.304 3.37 111

Подобное поведение коллоидных систем можно объяснить возникновением акустической кавитации, которая ведет к формированию, росту и имплозивному коллапсу пузырьков на границе раздела фаз жидкость-твердое вещество. Имплозивное схлопывание пузырька генерирует локальный разогрев места контакта через адиабатическое сжатие или образование ударной волны в газовой фазе пузыря, скорость которой может достигать 100 м/с. Это ведет к мгновенному разогреву поверхности частиц и граничащего слоя воды. В таких условиях, благодаря контакту с воздухом могут образовываться свободные радикалы и даже ионы, такие как Н+ и 0Н-, специфически взаимодействующие с поверхностью коллоидной частицы и формируя финальный дзета-потенциал системы. Необходимо отметить, что рН конечной системы не отличался от первоначальной, что свидетельствует о том, что избыточные ионы способны к ассоциации обратно с образованием молекул воды. По мере насыщения двойного электрического слоя ионами, дзета-потенциал выходит на максимальное значение, приводя к образованию стабильной системы.

Параллельно с увеличением заряда наночастиц, происходит их дезагрегация: крупные агрегаты разрушаются с образованием более мелких и индивидуальных наночастиц. В табл. 4.1 приведены значения гидродинамического размера частиц в зависимости от времени ультразвуковой обработки. В течение заданного интервала времени средний размер агрегатов уменьшился со 140 до 20 нм.

Данные дифракции рентгеновских лучей хорошо согласуются с данными просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии (рис. 4.4). По результатам видно, что ксерогель бемита состоит из хорошо окристаллизованных наночастиц,

плотно упакованных между собой. Аморфная фаза полностью отсутствует. Нанокристаллиты бемита имеют стержнеобразную форму размером приблизительно

Рис. 4.4. Изображения плотно упакованных между собой частиц бемита, получаемых УЗ-ассистируемым золь-гель синтезом. а - СЭМ изображение, б - ПЭМ изображение.

Следующий этап исследований был посвящен изучению влияния времени длительности ультразвуковой обработки на текстурные характеристики ксерогелей (обобщенные результаты приведены в табл. 4.1). Текстурные характеристики образцов существенно изменяются в заданном временном интервале. С увеличением времени

ультразвуковой обработки удельная площадь поверхности материалов также

2 и увеличивается с 330 до 405 м /г, при этом средний размер пор падает. Обратная

ситуация возникает после прохождения максимума (120 минут). Вероятно, отражение в

текстурных характеристиках находят два конкурирующих процесса: разрушение

агрегатов на более мелкие и рост кристаллов. Если первоначальный рост удельной

площади поверхности можно отнести к образованию более гомогенной структуры из-за

разрушения агрегатов, то дальнейшее падение и рост размера пор, очевидно, связан с

ростом кристалличности.

Поскольку лекарственные вещества для парентерального введения все чаще имеют в своем составе терапевтические ферменты, было важно посмотреть, как влияет время ультразвуковой обработки на термическую стабильность иммобилизированного белка. Очевидно, что в случае нестабильных коллоидных систем (минимальное время ультразвуковой обработки), активно седиментирующих в короткий промежуток

времени, происходит процесс адсорбции белка, в то время как при введении белка в наиболее стабильные коллоиды имеет место энтрапирование после соответствующей конденсации. Данная интерпретация хорошо отражается в результатах ДСК анализа (табл. 4.1).

Из данных видно, что температура денатурации белка, энтрапированного в бемитовую матрицу синтезированную с помощью ультразвуковой обработки в течение 120 минут, сдвигается на 33 °С в сторону более высоких температур по сравнению с нативной формой. С другой стороны, ввод ОВА в 30 минутный золь, не защищает белок от воздействия температуры, и даже наоборот, сдвигает её в сторону меньших температур на 2 °С. Это можно объяснить тем, что белок преимущественно адсорбируется в порах матрицы, которая его уже не защищает, а существенно дестабилизирует.

4.3. Фермент-содержащие биокомпозиты на основе A1OOH: золь-гель синтез

и физико-химические свойства

Использованные в данной работе золь-гель материалы на основе оксигидроксида алюминия, показали выдающуюся стабильность белков при энтрапировании, в связи с чем фокус данного раздела будет посвящен использованию терапевтических и индустриальных ферментов и поиску возможностей создания инновационных биокомпозитов для парентерального введения и биокатализа. Для этой цели было выбрано три терапевтических фермента: кислая фосфатаза (AcP), применяемая для лечения костной дисплазии; пероксидаза (HRP), используемая для образования токсичных противораковых препаратов из их пролекарств; аспарагиназа (ASP), используемая для терапии рака, а также два наиболее распространённых индустриально важных фермента - протеиназа (PR) и ксиланаза (XY). Как будет показано ниже, термическая стабильность системы фермент@оксид алюминия настолько высока, что при нагревании, например, AcP@AlOOH до 60 °С ферментативная активность не только сохраняется, но и увеличивается, в то время как в растворе при этой температуре наблюдается полная денатурация. Циклический нагрев-охлаждение системы AcP@AlOOH при этой же температуре не приводит к изменению активности. Кроме этого, наблюдается многократное увеличение предэкспоненциального множителя в

уравнении Аррениуса на 6 порядков. Повышенная стабилизация также наблюдается для двух других ферментов: при нагревании HRP или ASP растворе до 75 °С активность падает на 65% и 72%, соответственно, в то время как при энтрапировании она падает только на 1,2% и 1,9 %. Более того, продемонстрирована высокая стабилизация важных для промышленности ферментов в золь-гель матрице бемита. Даже при очень высокой температуре, 200 °С, энтрапированная ксиланаза продолжает проявлять активность. Термическая стабильность детально изучена с применением кинетических методов, дифференциальной сканирующей калориметрии и циркулярного дихроизма. Эти методы показывают, что энтрапирование сдвигает температуру денатурации на 30-50 °С.

Краткое описание методов синтеза биокомпозитов и исследование их каталитических свойств приведено ниже (более подробно в работах [16]).

4.3.1. Энтрапирование ферментов в матрицу AlOOH и определение их

активности

Биокомпозиты были синтезированы в соответствии со схемой, представленной на

рис. 4.5.

Рис. 4.5. Блок-схема синтеза биокомпозитов на основе оксигидроксида алюминия.

Для энтрапирования AcP, смесь 50 мкл буферного раствора глицина-HCl (рН 4,5) и 150 мкл свежеприготовленного золя оксида алюминия были перенесены в кювету, а затем добавили 4 мкл AcP (200 едмл1). Полученный золь помещали в вакуумный эксикатор при комнатной температуре на 24 ч. Затем, полученный AcP@AlOOH ксерогель промывали 1,0 мл глицинового буфера (рН 4,5) для удаления адсорбированных молекул ферментов. Энтрапирование HRP в оксид алюминия было проведено аналогичным образом с буферным раствором глицин-HCl при рН 5,0 и 4 мкл HRP (20 едмл1), а для получения ASP содержащего композита, золь смешивался с буферным раствором глицин-NaOH (рН 8,5) и 4 мкл ASP (152 едмл1). Для энтрапирования протеиназы (PR) к смеси 50 мкл буферного раствора глицин-NaOH (рН 7,5) и 150 мкл свежеприготовленного золя оксида алюминия добавлялось 20 мкл PR (15 едмл1). Через десять минут золь оставляли в вакуумном эксикаторе при комнатной температуре на 24 ч. Полученную систему PR@AlOOH промыли 1,0 мл буферным раствором (рН 7,5) для удаления любых адсорбированных белков. Энтрапирование ксиланазы (XY) в оксид алюминия проводили аналогично с буферным раствором глицин-HCl при рН 4,5 и 20 мкл XY (30 едмл1). Энтрапирование каждого из пяти ферментов было полным, на что указывает отсутствие активности в надосадочной жидкости и промывных растворах.

Энтрапирование ксиланазы и протеиназы в матрицу SiO2 и определение ее активности: для энтрапирования ферментов в оксид кремния смесь 0,05 мл тетраметилэтоксисилана (0,0004 моль) и 0,06 мл 2,5 мМ HCl (1,2-10-6 моль) перемешивали в течение 30 минут в кювете при 40 °С. Полученный золь охлаждали до 4 °С и смешивали с 50 мкл буферного раствора глицин-HCl (рН 4,5) с последующим добавлением 20 мкл XY (30 ед/мл). Через десять минут золь оставляли в вакуумном эксикаторе при комнатной температуре на 24 ч. Конечная концентрация XY была такой же, как для системы на основе оксида алюминия (3,4% по массе). Энтрапирование PR в оксид кремния проводили аналогично с буферным раствором глицин-NaOH при рН 7,5 и 20 мкл PR (15 ед/мл). Конечная концентрация PR была такой же, как и для оксида алюминия (2,5% по весу).

Определение активности ферментов проводили методом спектрофотометрии с использованием специфичных субстратов и реагентов (рис. 4.6), обеспечивающих высокочувствительный хромогенный аналитический сигнал: пара-нитроанилидфосфата (pNNP) для кислой фосфатазы AcP (реакция 1), 2,2'-азино-ди-{3-этилбензтиазолин сульфоната (ABTS) для пероксидазы HRP (реакция 2) и реактива Несслера для количественного определения аммиака, выделяющегося при взаимодействии с субстратом аспарагиназы ASP (реакция 3):

Рис. 4.6. Катализируемые ферментами химические реакции, использованные в

работе.

AcP@AlOOH. После промывки 1,0 мл буферного раствора (рН 4,5) биокомпозит был оставлен для инкубации при 37 °С в течение 30 мин. Затем промывочный раствор заменяли 1,0 мл 10,8 мМ субстрата (pNPP) в буферном растворе глицин-HCl (рН 4,5) и после образования п-нитрофенолята (pNP, рис. 4.6, реакция 1) измеряли активность фермента [257] спектроскопически путем измерения поглощения при 405 нм при температурах в диапазоне от 30 до 75 °C. Показания снимались каждые 20 с в течение 30 мин. Промывочный раствор был также протестирован на ферментативную активность путем переноса 500 мкл в кювету и добавлением 1,0 мл 10,8 мМ раствора субстрата (pNPP). Для сравнительного анализа активности свободной AcP был взят 1 мкл (780 едмл1) в 1,0 мл буферного раствора (рН 4,5).

HRP@AlOOH. Ферментативную активность свободного и энтрапированного HRP определяли с использованием ABTS в качестве субстрата [258] (рис. 4.6, реакция 2). Анализировалась смесь 1,0 мл 0,5 мМ ABTS и 0,2 мл 30% H2O2 в 2,0 мл 50 мМ буфера глицин-HCl (рН 5,0). Ферментативная активность определялась

спектрофотометрически, путем измерения повышения оптической плотности окисленной ABTS при 425 нм. В кюветы из полистирола, содержащие HRP@AlOOH, добавляли 1,0 мл буфера (рН 5,0) и проводили инкубацию при 37 °С и 75 °С в течение 1 ч. Промывочный раствор HRP@AlOOH также проверяли на ферментативную активность. Активность HRP определяли в течении первых 10 мин реакции.

ASP@AlOOH. Активность измерялась с помощью реагента Несслера [259] (рис. 4.6, реакция 3). Реакционная смесь объемом 3 мл содержала 50 мМ буфера глицин-NaOH (рН 8,5) и 189 мМ L-аспарагина. Аликвоты смеси помещали в две кюветы: в первую кювету, содержащую ASP@AlOOH и вторая кювету (контрольный опыт) с 0,4 мл (152 ед^мл-1) раствора фермента. В обе кюветы добавляли по 1,0 мл буферного раствора глицин-NaOH (рН 8,5) и затем инкубировались при 37 °С и 75 °С в течение 1 ч. Реакцию останавливали добавлением 100 мл 1,5 М трихлоруксусной кислоты. Раствор центрифугировали с последующим добавлением 1,0 мл реагента Несслера к 1,0 мл надосадочной жидкости. Поглощение при 436 нм полученного раствора характеризовало ферментативную активность.

PR@AlOOH и PR@SiO2. После промывки 1,0 мл буфера (рН 7,5) биоксерогель, конденсированный в кювете, был оставлен для инкубации при 37 °С в течение 30 мин. Затем промывочный раствор заменяли 2,0 мл 1% (масса/объем) раствора казеина (полученного путем смешения 1 мг/мл казеина с 50 мМ калий-фосфатным буфером) и 0,5 мл реактива Фолина с последующим перемешиванием. Ферментативную активность далее измеряли при 660 нм по синему окрашиванию в результате реакции свободного тирозина с реактивом Фолина при различных температурах. Для проведения сравнительного анализа свободную PR объемом 2 мкл (15 ед/мл) в 1,0 мл буфера (рН 7,5) подвергали взаимодействию по аналогии с энтрапированным ферментом (для компенсации более низкой реакционной способности энтрапированных ферментов были взяты в 10 раз более низкие концентрации свободных ферментов).

XY@AlOOH и XY@SiO2. Биоксерогели, конденсированные непосредственно в кювете, были обработаны смесью 2,0 мл 1% (масса/объем) раствора ксилана (приготовленного путем смешивания 1 мг/мл раствора ксилана с буферным раствором глицин-HCl при рН 4,5) и 0,1 мл 0,04 М раствора DNSA. Полученная свободная ксилоза реагирует с DNSA с образованием комплекса, окрашивание которого измеряли при 540

нм. Для проведения сравнительного анализа свободную XY объемом 2 мкл (30 ед/мл) в 50 мкл раствора глицина (рН 4,5) подвергали взаимодействию по аналогии с энтрапированным ферментом (для компенсации более низкой реакционной способности энтрапированных ферментов).

4.3.2 Активность и термостабильность кислой фосфатазы,

иммобилизированной в оксигидроксид алюминия

График зависимости активности энтрапированного фермента от концентрации субстрата представлен на рис. 4.7а. Следует отметить, что представленная зависимость является нормализованной, поскольку неферментативная реакция гидролиза субстрата оказалась пренебрежительно низкой.

Скорость гидролиза AcP@AlOOH достигает 0,351 мМ/мин после 10 мин при 30 °С, в то время как активность промывочного раствора и неферментативного гидролиза были 0,011 и 0,014 мМ/мин, соответственно; аналогичные наблюдения были характерны и для двух других ферментов, рассматриваемых в разделе 4.3.2. Анализ данных рис. 4.7 с помощью графика Иди-Хофсти (рис. 4.7) дает следующие параметры уравнения Михаэлиса-Ментен (ММ): Vmax = 2,3 мМ/мин и Km = 3,38 ммоль. Km свободной AcP в глициновом буферном растворе равна 1,25 ммоль [260], и различие между этими двумя значениями Km является отражением диффузионных затруднений, которые пористая матрица бемита накладывает на молекулы субстрата (это также наблюдалось для матриц на основе оксида кремния [261]). Тем не менее, тот факт, что график на рис. 4.7б совершенно линеен, означает, что уравнение ММ соблюдается, то есть что распределение молекул фермента в матрице является однородным и денатурации энтрапированного фермента не происходит.

Электронная микрофотография (рис. 4.7в) показывает морфологию кристаллических наностержней (около 2 х 6нм) в биокомпозите, которые плотно упакованы. Также видны мезопоры диаметром от нескольких до более чем 20 нм. Аналогичная морфология была получена для систем HRP@AlOOH и ASP@AlOOH (раздел 4.3.2).

Рис. 4.7. Кривые активности для системы ЛсР@Л100И. а - скорость ферментативной реакции ЛсР@ Л100И в зависимости от концентрации субстрата; б -график Иди-Хофсти по данным «доза-реакция»; в - изображение СЭМ высокого

разрешения для системы ЛсР@Л100И.

В растворе типичное поведение нативной АсР при нагревании характеризуется постепенным снижением активности при температурах выше 40 °С, достигая полной денатурации при значениях, превышающих 70°С. Следует отметить, что для адсорбированной АсР на Са-полигалактуронате термостабильность еще хуже [262]. По полученным данным, стабильность АсР, энтрапированной в оксид алюминия, настолько высока, что ее активность вплоть до температуры 60 °С возрастает (рис. 4.8а). После достижения этого критического значения начинается снижение активности, но даже при 75 °С она по-прежнему выше, чем при комнатной температуре примерно на два порядка. Кроме того, еще одним проявлением термической стабильности энтрапированной АсР является ее устойчивость к длительным циклическим нагревам до 60 °С (рис. 4.8б).

0 12 3 4

Нагрев-охлаждение цикла

Рис. 4.8. а - ферментативная активность АеР@Л100И при различных температурах в диапазоне 20-75 °С; б - термическая стабильность энтрапированной АсР: активность в зависимости количества циклов «нагрев-охлаждение» (нагрев: 1 час,

60 °С).

Так как реакция ферментативного гидролиза рКРР имеет псевдопервый порядок (вода в избытке), температурная зависимость константы скорости описывается законом Аррениуса К = Ае-Еа/Ят (где к - константа скорости, Еа - энергия активации, Т -температура, Я - газовая постоянная и А - предэкспоненциальный множитель). Данные, приведенные на рис. 4.8а, были переведены в координаты Аррениуса (результаты показаны на рис. 4.9а). Видны два противоположных наклона кривой. Отрицательный наклон соответствует положительной энергии активации реакции гидролиза рКРР 110 кДж/моль. До 60°С происходит классическое повышение активности с ростом температуры, последующий положительный наклон с кажущейся отрицательной энергией активации -28 кДж/моль относится к диапазону температур, где происходит денатурация, т. е. где активность фермента падает при нагревании.

0 300 600 900 1200 1500 1800

Время, сек

Рис. 4.9. График в координатах Аррениуса для гидролиза р№Р, катализируемого а -энтрапированной и б - свободной АсР. Показаны критические значения температур (~40 °С для свободной и ~60 °С для энтрапированной АсР), выше которых кажущаяся энергия активации становится отрицательной.

В растворе (рис. 4.9б) энергия активации ферментативной реакции (измеренная в интервале температур 20-50 °С) ниже и равна 60 кДж/моль. Более высокие значения для энтрапированного фермента диффузионными ограничениями внутри сети микропор. Следует отметить, что наклон, представляющий процесс денатурации, гораздо более четко выражен в растворе с кажущейся отрицательной энергией активации -144 кДж/моль. Таким образом, гетерогенизация ферментов путем соконденсации с одной стороны приводит к высокой термической стабильности, а с другой - к снижению скорости ферментативной реакции. Однако, для многих практических приложений термостабильность фермента является более важной составляющей.

В конце этого раздела мы рассмотрим предэкспоненциальные множители Аррениуса, А, для свободного и энтрапированного ферментов. Напомним, что А = Zp, где 2 - частота столкновений молекул субстрата в единицу времени, а р - это параметр ориентации (обычно меньше единицы). Для энтрапированного фермента значение предэкспоненциального множителя А = 3,541014 с-1, и это значение на шесть порядков выше, чем у свободного фермента: 4,3410 с . Идеальное линейное соответствие уравнению Аррениуса, что показывает, что лимитирующим процессом является именно ферментативная реакция. Следовательно, резкое увеличение числа столкновений в

пределах нанопор между ферментом и субстратом может служить объяснением очень высокого значения Л в случае энтрапированного фермента. Кроме того, высокое значение А, вероятно, также отражает благоприятную ориентацию молекул рКРР для плодотворных столкновений с активным центром фермента, т. е. нанопоры выступают в качестве стерического фактора обеспечивающего многократное столкновение молекул друг с другом.