Titania and silica based nanomaterials for decontamination and antibacterial applications

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2018-09-28
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
77 + app. 111
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 159/2018
Abstract
The nanomaterials in this thesis are developed to counteract harmful organic pollutants and bacteria in our environment. Titania-based nanomaterials are prepared and the properties are examined for photocatalytic purposes to decontaminate waters with organic pollutants. Silica-silver nanomaterials are developed for antibacterial purposes. Titania-based nanotubes and composites were developed for organic contaminants removal via photocatalysis. The nanotubes were prepared by chemical solution processing and rapid breakdown anodization (RBA) methods and further subjected to heat treatment. The chemical solution processing method yielded titanate-anatase mixed crystal structures, and anatase, rutile or brookite structures when using RBA. The heat treatment caused the tubular structure to collapse into rods and further into particles in both cases. The thermal stability of the tubular structure was higher for the titanate nanotubes compared to the nanotubes prepared by RBA. The surface area and amount of hydroxide functional groups reduced upon increasing heat treatment temperatures. The titania based composite consisted of four components, i.e., titania, graphene oxide, silver, and silver chloride. The photocatalytic efficiency was investigated using methylene blue (MB), methyl orange (MO) and rhodamine B (RhB) under UV and/ or sunlight irradiation. The photocatalytic decolorization of MB under UV light was reduced upon increased heat treatment temperatures for the titanate nanotubes, due to the reduced hydroxyl groups and surface area. Almost complete photocatalytic decolorization of MO and RhB was achieved using titania nanotubes under sunlight irradiation. The graphene oxide/titania/silver/silver chloride composites showed a high adsorptive capability of MB, due to the abundance of hydroxyl functional groups. The photocatalytic decolorization reached 55 % under UV-light irradiation and increased by ca 80 % with the addition of graphene oxide to the titania/silver/silver chloride composites. The silica-silver composites were prepared by a modified Stöber method. The silica-silver composite powders were subjected to heat treatment to study the silver nanoparticle growth and to determine the activation energy for silver particle growth. The mean size of the silver particles grew with increasing heat treatment temperature. The activation energy for silver particle growth was determined as 0.14 eV, and the growth took place via diffusion and Ostwald ripening. The feasibility of a prolonged silver release from the composites was investigated via dissolution tests, which showed a prolonged release for at least 7 days' time. One silica-silver composite was chosen for antibacterial tests for wound dressing applications. The silica-silver composite hindered the growth of both methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA) and Escherichia coli. The composite was also impregnated in a gauze to simulate a wound dressing and hindered the bacterial growth more efficiently than a commercial silver containing gauze. The antibacterial mechanism was elucidated for MRSA, where the silver ions eventually caused the loss of bacterial membranes.

Nanomaterialen i denna avhandling utvecklades för förebyggandet av skadliga organiska föroreningar och bakterier i vår omgivning. Nanomaterial baserade på titandioxid framställdes och egenskaperna av dessa undersöktes för dekontamination av förorenade vatten via fotokatalys. Nanomaterial av silikondioxid-silver utvecklades för antibakteriella syften. Nanorör baserade på titandioxid framställdes genom en kemisk lösningsmetod och en snabb sönderdelningsanodiseringsmetod (RBA) och utsattes för värmebehandling. Den kemiska lösningsmetoden gav blandade titanat-anatas kristallstrukturer och vid användning av RBA uppstod strukturer utav anatas, rutil eller brookit. Värmebehandlingen förorsakade kollaps av den rörformiga strukturen till stavar och till partiklar med ytterligare värmebehandling. Den rörformiga strukturens termiska stabilitet var högre för nanorören av titanat jämfört med de nanorör som framställdes med RBA. Arean för och mängden hydroxid-grupper minskade för nanorören vid högre värmebehandlingstemperatur. Den titandioxidbaserade kompositen bestod av fyra komponenter: titandioxid, grafenoxid (GO), silver och silverklorid. Den fotokatalytiska effektiviteten undersöktes med hjälp av metylenblå (MB), metylorange (MO) och rhodamin B (RhB) under bestrålning UV- och / eller solljus. Den fotokatalytiska avfärgningen av MB under UV-ljus minskade vid ökad värmebehandlingstemperatur av titanatnanorören, på grund av den reducerade arean och mängden av hydroxidgrupper. Nästan fullständig fotokatalytisk avfärgning av MO och RhB uppnåddes med användning av titandioxidnanorör under solljus. GO/titandioxid/silver/silverklorid-kompositerna uppvisade hög adsorptionsförmåga hos MB, p.g.a. överflöd av hydroxidgrupper. Den fotokatalytiska avfärgningen uppnådde 55 % under UV-ljusbestrålning och ökade med ca 80 % med tillsatsen av GO till titanoxid/silver/silverklorid-kompositerna. Kompositpulver av kiseloxid-silver framställdes med en modifierad Stöber-metod. Dessa kompositpulver av kiseldioxid-silver utsattes för värmebehandling för att undersöka tillväxten av nanopartiklar av silver och för att bestämma aktiveringsenergin för tillväxten av dessa partiklar. Medelstorleken av silver partiklarna växte med ökande värmebehandlingstemperatur. Aktiveringsenergin för silverpartikeltillväxt bestämdes som 0,14 eV och tillväxten skedde genom diffusion och Ostwald-mogning. Genomförbarheten av en förlängd frisättning av silver från kompositerna undersöktes genom upplösningstester, vilket visade en långvarig frisättning under åtminstone 7 dagar. En kiseldioxid-silverkomposit valdes för antibakteriella tester för förbandstillämpningar. Kiseldioxid-silverkompositen hindrade tillväxten av både det meticillinresistenta Staphylococcus aureus (MRSA) och Escherichia coli. Kompositen impregnerades också i en gasbinda för att simulera ett förband. Den hindrade bakterietillväxten effektivare än en kommersiell gasbinda som innehöll silver. Den antibakteriella mekanismen av silver mot MRSA klargjordes, då silverjonerna slutligen förorsakade förlust av bakteriemembranen.
Description
Supervising professor
Hannula, Simo-Pekka, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, Finland
Thesis advisor
Hannula, Simo-Pekka, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, Finland
Keywords
titania, nanotubes, photocatalysis, silica, silver, antibacterial, particle growth
Other note
Parts
  • [Publication 1]: Saima Ali, Henrika Granbohm, Yanling Ge, Vivek K. Singh, Frans Nilsén, Simo-Pekka Hannula. Crystal structure and photocatalytic properties of titanate nanotubes prepared by chemical processing and subsequent annealing. Journal of Materials Science, 2016, 51 (15) pp. 7322-7335.
    DOI: 10.1007/s10853-016-0014-5 View at publisher
  • [Publication 2]: Saima Ali, Henrika Granbohm, Jouko Lahtinen, Simo-Pekka Hannula. Titania nanotubes prepared by rapid breakdown anodization for photocatalytic decolorization of organic dyes under UV and natural solar light. Nanoscale Research Letters, 2018, 13, 179.
    DOI: 10.1186/s11671-018-2591-5 View at publisher
  • [Publication 3]: Henrika Granbohm, Kati Kulmala, Ajai Iyer, Yanling Ge, Simo-Pekka Hannula. Preparation and Photocatalytic Activity of Quaternary GO/TiO2/Ag/AgCl Nanocomposites. Water, Air & Soil Pollution, 2017, 228 (4) pp. 127.
    DOI: 10.1007/s11270-017-3313-9 View at publisher
  • [Publication 4]: Henrika Granbohm, Juha Larismaa, Saima Ali, Leena-Sisko Johansson, Simo-Pekka Hannula. Control of the size of silver nanoparticles and release of silver in heat treated SiO2-Ag composite powders. Materials, 2018, 11 (1), 80.
    DOI: 10.3390/ma11010080 View at publisher
  • [Publication 5]: Dina A. Mosselhy, Henrika Granbohm, Ulla Hynönen, Yanling Ge, Airi Palva, Katrina Nordström, Simo-Pekka Hannula. Nanosilver–silica composite: Prolonged antibacterial effects and bacterial interaction mechanisms for wound dressings. Nanomaterials, 2017, 7(9), 261.
    DOI: 10.3390/nano7090261 View at publisher
  • [Errata file]: Errata of publication 4
Citation