Materiály s obsahem nanočástic ušlechtilých kovů pro biologické a katalytické aplikace.

Mgr. Martina KILIANOVÁ

Doctoral thesis

Materials containing noble metals utilizing for biological and catalytic applications.

Abstract:

Anotace: Katedra fyzikální chemie v úzké spolupráci s výzkumným centrem Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů (RCPTM) věnují svůj dlouholetý zájem o rozvoj nanotechnologií v rozličných vědních oborech. Dochází k rozšiřování povědomí a následné aplikaci nanomateriálů v oblastech výzkumu v posledních letech výrazně zaměřeného na přípravu a následné aplikace nanočástic stříbra (Ag NPs), oxidů železa (FexOy NPs), ale také například nanočástic mědi (Cu NPs). Tyto materiály mohou být využity na poli biologického výzkumu, v analytických aplikacích, heterogenní katalýze nebo například v environmentální oblasti výzkumu. Těmto výzkumným směrům je věnována tato disertační práce, která představuje shrnutí vědeckých výsledků dosažených v oblasti přípravy a aplikací nanočástic stříbra, mědi a oxidů železa během mého Ph.D. studia. Hlavním cílem této práce bylo studovat různé metody přípravy výše zmíněných nanočástic, včetně jejich vzájemných kombinací v podobě nanokompozitních látek a následně nalézt a ověřit jejich aplikační potenciál v oblastech biologického a synergického účinku, environmentálního přínosu a v neposlední řadě také v oblasti katalytických vlastností. Vědeckovýzkumná práce související s tematikou Ph.D. studia byla v prvé řadě věnována nanočásticím stříbra, kde se pozornost zaměřila na jejich syntézu pomocí in-situ chemické redukce v přítomnosti dvou rozdílných redukčních činidel - maltózy a tetrahydridoboritanu sodného. Předem připravené Ag NPs byly následně využity při syntéze nanokompozitních materiálů v kombinaci s magnetickými nanočásticemi oxidů železa Ag@Fe3O4 a -Fe2O3@Ag, kde tyto magnetické nanokompozity vykazovaly antibakteriální i antifungální aktivitu, kde na druhou stranu byla akutní cytotoxicita těchto materiálů pozorována až při řádově vyšších koncentracích. Dále byly nanočástice stříbra využity při přípravě a aplikaci methylcelulózového hydrogelu, kde byla použita vysoce koncentrovaná disperze Ag NPs o výchozí koncentraci 5 g/L Ag. Připravený NanoSilver@methylcellulose hydrogel byl aplikován ke studiu lokálních baktericidních účinků s jasně prokazatelnými antimikrobiálními výsledky. Další část řešené práce se věnovala provedení systematické studie při kvantifikaci synergického účinku antibiotik (ATB) v kombinaci s Ag NPs, a to kvůli aktuálně řešenému problému s rozšiřující se rezistivitou bakteriálních kmenů vůči ATB. Test synergického účinku byl proveden proti bakteriálním kmenům Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa a Staphylococcus aureus, kde všechna běžně dostupná testovaná antibiotika kombinovaná s Ag NPs prokazovala silné synergické účinky již při velmi nízkých koncentracích obou látek. Další část práce byla věnována syntéze a využití ultrajemných a téměř monodisperzních superparamagnetických nanočástic -Fe2O3, jež byly syntetizovány jednostupňovou mokrou chemickou metodou. Připravené nanočástice -Fe2O3 projevovaly vysokou plochu povrchu, a tudíž výrazné adsorpční schopnosti ověřované při odstraňování arseničnanů z vodného prostředí. Konečná část předkládané práce byla zaměřena na studium katalytických účinků dvou typů nanokatalyzátorů na bázi čistého oxidu železa a oxidu železa s příspěvkem nanočástic mědi, jež byly připraveny sonikační metodou. Kompozit s příspěvkem Cu NPs byl považován za účinný katalyzátor pro konverzi CO2 při nízkém parciálním tlaku CO2 a H2 s výslednými reakčními produkty jako jsou oxid uhelnatý, methan, methanol a benzen. Výsledky tohoto výzkumu představují perspektivní směr při konverzi oxidu uhličitého.

Abstract:

Department of physical chemistry in cooperation with research centre Regional centre of Advanced Technologies and Materials (RCPTM) devote their long-time interest into development of nanotechnologies in various science branches. There happens raising public awareness and transferring applications of nanomaterials in fields in research in last years significantly devoted to preparation and subsequent applications of silver nanoparticles (Ag NPs), iron oxide (FexOy Nps), but also for example copper nanoparticles (Cu NPs). These materials can be used in field of biological research, in analytical applications, heterogeneous catalysis or for example in environmental field of research. To these fields of research specialization is devoted this thesis, which represents summary of research results achieved in area of preparation and application of nanoparticles of silver, copper and oxides during my Ph.D. study. The main aim of this thesis was to study various methods of preparation of above-mentioned nanoparticles, including their mutual combinations in form nanocomposites substances and subsequently to find and verify their application potential in field of biological and synergic effect, environmental benefit and last but not least in area of catalyst properties. Scientific research work related to topic of Ph.D. study was mainly devoted to silver nanoparticles, where the attention was concerned to their synthesis using in-situ chemical redution in presence of two various reduction agents - maltose and sodium borotetrahydride. The in advance prepared Ag NPs were subsequently used in synthesis of nanocomposite materials in combination with magnetic iron oxide nanoparticles Ag@Fe3O4 and -Fe2O3@Ag, where these magnetic nanocomposites showed antibacterial and antifungal aktivity, where on the other hand was observed acute cytotoxicity of these materials only with higher concentrations. Furthermore, the silver nanoparticles were used during preparation and application of methylcellulose hydrogel, where there was used highly concentrated dispersion of Ag NPs with initial concentration of 5 g/L Ag. The prepared @methylcellulose hydrogel was applied during the study of local bactericidal effects with clearly provable antimicrobial results. Next part of this thesis deals with execution of systematic study using quantification of antibiotic (ATB) synergic effect in combination with Ag NPs, due to current solved problem with extending resistivity of bacterial strains against antibiotics. The test of synergic effect was performed against bacterial strain Excherichia coli, Pseudomonas aeruginosa and Staphulococcus aureus, where all common accessible antibiotics combined with Ag NPs showed strong synergic effects already at really low concentrations of both substances. Next part of this thesis was devoted to synthesis and usage of ultrafine and almost monodisperse superparamagnetic nanoparticles of -Fe2O3, that were synthesized using one step wet chemical method. Prepared -Fe2O3 nanoparticles experienced high surface area, and therefore significat adsoption characteristics during removal of arsenates from aquatic environment. The final part of this thesis deals with the study of catalytic effects of two types of nanocatalyst on basis of clear iron oxide and iron oxide with contribution of copper nanoparticles, that were prepared using sonication method. Composite with contribution of Cu NPs was considered as effective catalyst for conversion of CO2 using low partial pressure of CO2 and H2 with resulting reaction products such as carbon monoxide, methane, alcohol and benzen. The results of this research represent a perspective direction in the area of carbon dioxide conversion.

Keywords

Stříbro, oxidy železa, měď, nanočástice, příprava, aplikace, biologická aktivita, katalýza, sorpce, synergie

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 11. 2018

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Libor Kvítek, CSc.

PALACKÝ UNIVERSITY OLOMOUC

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry / Physical Chemistry