通过分析离心法测得的表面修饰的十酸铈纳米粒子的表观摩尔质量

《Fluid Phase Equilibria》：Apparent molar mass of decanoic acid surface modified ceria nanoparticles measured by analytical centrifugation

混合纳米颗粒（HNPs）的摩尔质量与扩散系数测量研究。采用超临界水热处理制备C10CeO2纳米颗粒，通过动态光散射（DLS）测得平均直径7.9±0.2 nm，热重分析（TGA）确定修饰剂比例0.248±0.011。利用分析离心法（AC）结合两种力平衡模型（AC1和AC2）计算摩尔质量，分别为142.8±2.1和459.3±4.3 kg·mol?1，差异可能与溶剂-颗粒相互作用及非理想行为有关。研究为HNPs在分散体系中的应用提供参考。

　　

杨奈舒|太田雅树|理查德·李·史密斯|富井隆明|稻田宏|渡边雅郎

日本宫城县仙台市青叶区青叶荒巻6-6-11，东北大学工学研究科化学工程系超临界流体技术研究中心

摘要

混合纳米颗粒（HNPs）是指表面吸附或共价结合了有机修饰剂的颗粒。测量和估算HNPs的摩尔质量和扩散系数对于工程浆料的传输和质量控制以及催化剂剂量和先进材料配方至关重要。在本研究中，通过超临界水热处理制备了用癸酸改性的5.8纳米CeO₂纳米颗粒（C10CeO₂）。通过动态光散射和热重分析，分别确定C10CeO₂ HNPs的平均直径和修饰剂比例为7.9 ± 0.2纳米和0.248 ± 0.011。C10CeO₂的表观摩尔质量是通过分析离心法（AC）确定的。在AC中，通过分析颗粒在沉降过程中所受的浮力、扩散力和摩擦力之间的平衡来获得摩尔质量。具体来说，摩尔质量是通过两个力平衡方程得出的：一个平衡浮力和扩散力与离心力的方程（AC1），另一个同时考虑浮力和扩散力以及摩擦力与离心力的方程（AC2）。两种方法（AC1和AC2）得到的平均摩尔质量数值在同一数量级：分别为142.8 ± 2.1千克·摩尔^-1和459.3 ± 4.3千克·摩尔^-1。AC1得到的相对较低值可能是由于忽略了溶剂-颗粒相互作用以及系统的非理想行为。本文确定的摩尔质量有望作为未来C10CeO₂应用的参考，包括预测其在溶剂中的分散性。

章节摘录

引言

CeO₂（氧化铈）是一种无机氧化物，由于其独特的电学、光学和磁学性质，在燃料电池技术[1,2]、光化学机械抛光[3,4]、储氧材料[5]、紫外线屏蔽涂层[6,7]以及汽车中的三元催化转化器[8],[9],[10]中广泛用作纳米颗粒形式。为了保持化学加工过程中使用的浆料的性能，需要确保纳米颗粒（NPs）保持

材料

癸酸（C10）表面改性的CeO₂（C10CeO₂）纳米颗粒样品由一家化学制造商（ITEC有限公司，日本）提供，该公司采用了超临界水热方法和癸酸作为改性剂[17],[18],[19]。图S1a–S1c展示了（a）通过动态光散射（DLS）获得的颗粒大小分布，（b）通过热重分析（TGA）获得的重量损失曲线，以及（c）制备好的C10CeO₂的透射电子显微镜（TEM）图像

通过TGA测量计算的C10CeO₂的物理性质

C10CeO₂ HNPs的基于质量的修饰剂比例（θ）可以通过公式（1）计算。在本研究中，修饰剂比例定义为修饰剂链与颗粒核心的重量比，如下所示：$\theta =w_{\text{修饰剂}}/w_{\text{核心}}=\text{修饰剂}\mathrm{比例}$其中w_修饰剂 [kg]和w_核心 [kg]分别代表加热过程中的重量损失量和最小残余重量，由TGA确定。

利用确定的θ，根据公式（2）计算了C10CeO₂ HNPs的摩尔质量（M_C10CeO2 [kg·mol^-1）

通过DLS测量获得的C10CeO₂ HNPs的平均颗粒直径

图2显示了在20°C下，用癸酸处理后的0.5 wt% C10CeO₂ HNPs在环己烷中的散射强度基颗粒大小分布。测量进行了四次，分别称为实验1至实验4。根据图2，实验1至实验4的颗粒大小分布在（5.0至11.2）纳米范围内，占99.9%的颗粒。与相同条件下环己烷处理样品的颗粒大小分布相比

结论

热重分析可以确定表面修饰剂链与纳米颗粒核心之间的重量比，并利用核心密度和半径等参数估算混合纳米颗粒的摩尔质量。然而，本研究中使用的癸酸表面改性的氧化铈纳米颗粒具有不规则的结构；因此，仅凭热分析无法准确确定其摩尔质量，因为假设它们是理想的球形或立方形

术语表

符号
A	表面积	[m2]
B	v与r的比值	[s-1]
D	平移扩散系数	[m2·s-1]
Fb	浮力	[N]
Fc	离心力	[N]
Fd	扩散（布朗）力	[N]
Ff	摩擦力	[N]
Fobj	目标函数
M	摩尔质量	[kg·mol-1]
NA	阿伏伽德罗常数	[mol-1]
R	通用气体常数	[J·K-1mol-1]
T	温度	[K]
V	体积	[m3]
$\bar{V}$比体积	[m3·kg-1]
c(m)	质量浓度	[kg·m-3]
c(w)	重量浓度	[kg·kg-1]
c0	在r0处的浓度	[kg·m-3]
cr	在rc处的浓度	[kg·m-3]
cr,Calc.	cr的计算值	[kg·m-3]

CRediT作者贡献声明

杨奈舒：撰写——原始草稿，数据整理。太田雅树：撰写——审阅与编辑，方法论，概念构思。理查德·李·史密斯：撰写——审阅与编辑，监督，调查，概念构思。富井隆明：资源提供。稻田宏：监督。渡边雅郎：监督。