Влияние высокотемпературного отжига на электронную структуру и антиоксидантные свойства аблированных наночастиц диоксида церия

Цель. Исследование зависимости электронной структуры и антиоксидантных свойств аблированных наночастиц диоксида церия от температуры отжига в условиях фотокаталитической реакции в присутствии наночастиц диоксида титана.
Методы. Были получены наночастицы диоксида церия методом лазерной абляции. По АСМ-изображениям рассчитаны средние размеры аблированных наночастиц диоксида церия, подвергнутых центрифугированию и высокотемпературному отжигу. Спектрофотометрическим методом установливалось изменение энергетического положения 4f0 состояний ионов Ce4+в полосе пропускания ширины запрещённой зоны отожжённых наночастиц диоксида церия и исследовалась их седиментация. Также с помощью спектрофотометра определялась зависимость от температуры отжига антиоксидантной активности наночастиц диоксида церия в процессе фотокатализа.
Результаты. Установлены средние размеры аблированных отожжённых центрифугированных наночастиц диоксида церия в диапазоне от (46,3±0,5) нм до (82,8±0,5) нм. В результате исследований определён батохромный сдвиг энергетического положения 4f0 состояний ионов Ce4+ в полосе пропускания ширины запрещённой зоны аблированных наночастиц диоксида церия после отжига, а его влияние на процесс седиментации наночастиц не выявлен. Установлено, что в ходе фотокаталитической реакции в присутствии аблированных отожжённых наночастиц диоксида церия увеличивается скорость деградации красителя метиленового синего, то есть снижается антиоксидантная активность наночастиц CeO₂.
Заключение. Из результатов исследований, представленных в данной работе, следует, что под воздействием высокотемпературного отжига физико-химические свойства аблированных наночастиц диоксида церия меняются, в частности снижается их антиоксидантная активность, но скорость седиментации наночастиц диоксида церия в водном растворе остается постоянной. 

1. Transformation of Cerium oxide nanoparticles from a diesel fuel additive during combustion in a diesel engine / J.G. Dale, S.S. Cox, M.E. Vance, L.C. Marr, Jr M.F Hochella // Environmental science & technology. 2017. Vol. 51, no. 4. P. 1973–1980. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b03173.

2. High performance low-temperature solid oxide fuel cells based on nanostructured ceria-based electrolyte / J. Liu, C. Zhu, D. Zhu, X. Jia, Y. Zhang, J. Yu [et al.] // Nanomaterials. 2021. Vol. 11, no. 9. P. 2231. https://doi.org/10.3390/nano11092231.

3. The advances of ceria nanoparticles for biomedical applications in orthopaedics / H. Li, P. Xia, S. Pan, Z. Qi, C. Fu, Z. Yu [et al.] // International journal of nanomedicine. 2020. Vol. 15. P. 7199– 7214. https://doi.org/10.2147/IJN.S270229.

4. Cerium dioxide nanoparticles as third-generation enzymes (nanozymes) / A.L. Popov, A.B. Shcherbakov, N.M. Zholobak, A.Y. Baranchikov, V.K. Ivanov // Nanosystems: Physics Chemistry Mathematics. 2017. Vol. 8, no. 6. P. 760–781. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2017-8-6760-781.

5. Сerium dioxide nanoparticles for luminescence based analytical systems: Challenging nanosensor and effective label / O.A. Goryacheva, D.V. Tsyupka, S.V. Pigarev, P.D. Strokin, A.A. Kovyrshina, A.A. Moiseev [et al.] // TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2024. Vol. 174. P. 117665. https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117665.

6. Bioengineered Cerium oxide (CeO2) nanoparticles and their diverse applications: a review / S. Pansambal, R. Oza, S. Borgave, A. Chauhan, P. Bardapurkar, S. Vyas [et al.] // Applied Nanoscience. 2023. Vol. 13, no. 9. P. 6067–6092. https://doi.org/10.1007/s13204-022-02574-8.

7. Bioactivity of Cerium dioxide nanoparticles as a function of size and surface features / V. Sarnatskaya, Y. Shlapa, D. Kolesnik, O. Lykhova, D. Klymchuk, S. Solopan, A. Belous // Biomaterials Science. 2024. Vol. 12, no. 10. P. 2689–2704. https://doi.org/10.1039/D4BM90076F.

8. Cerium oxide nanoparticles in wound care: a review of mechanisms and therapeutic applications / S. Chen, Y. Wang, S. Bao, L. Yao, X. Fu, Y. Yu [et al.] // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2024. Vol. 12. P. 1404651. https://doi.org/10.3389/fbioe.2024.1404651.

9. Cerium oxide nanoparticles in cancer / Y. Gao, K. Chen, J.L. Ma, F. Gao // Onco Targets Ther. 2014. Vol. 7. P. 835–40. https://doi.org/10.2147/OTT.S62057.

10. Cerium oxide nanoparticles rescue α-synuclein-induced toxicity in a yeast model of Parkinson’s disease / R. Ruotolo, G. De Giorgio, I. Minato, M.G. Bianchi, O. Bussolati, N. Marmiroli // Nanomaterials. 2020. Vol. 10, no. 2. P. 235. https://doi.org/10.3390/nano10020235.

11. Sundararajan V., Venkatasubbu G.D., Sheik Mohideen S. Investigation of therapeutic potential of cerium oxide nanoparticles in Alzheimer’s disease using transgenic Drosophila // 3 Biotech. 2021. Vol. 11, no. 4. P. 159. https://doi.org/10.1007/s13205-021-02706-x.

12. Ulker D., Abacioglu N., Sehirli A.O. Cerium oxide (CeO2) nanoparticles could have protective effect against COVID-19 // Letters in Applied NanoBioScience. 2022. Vol. 12, no. 1. P. 12. https://doi.org/10.33263/LIANBS121.012.

13. Mamontov V.A., Ryzhenkova A.Y., Pugachevskii M.A. Characterization of size and morphological composition of ablated nanoparticles of cerium dioxide after ultrasonic dispersion and centrifugation in aqueous solution // Journal of Physics: Conference Series. IOP Publishing. 2021. Vol. 2064, no. 1. P. 012083. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2064/1/012083.

14. Pugachevskii M.A., Chibisov A.N., Mamontov V.A., Kuzmenko A.P. Antioxidant properties of stabilized CeO2 nanoparticles // Physica status solidi (a). 2021. Vol. 218, no. 20. P. 2100355. https://doi.org/10.1002/pssa.202100355.

15. Pugachevskii M.A., Mamontov V.A., Syuy A.V., Kuzmenko A.P. Effect of pH on antioxidant properties of ablated CeO2 nanoparticles in photocatalytic process // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. 2022. Vol. 106. P. 74–76. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2021.10.036.

16. Walton R.I. Solvothermal synthesis of cerium oxides // Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 2011. Vol. 57, no. 4. P. 93–108. https://doi.org/10.1016/j.pcrysgrow. 2011.10.002.

17. Production of ablated CeO2 Particles with nanodispersed compositional distribution / M.A. Pugachevskii, V.A. Mamontov, N.V. Aung, A.S. Chekadanov, A.P. Kuzmenko // Technical Physics Letters. 2020. Vol. 46. P. 1032–1035. https://doi.org/10.1134/S1063785020100259.

18. Oxidative stress induced by cerium oxide nanoparticles in cultured BEAS-2B cells / E.J. Park, J. Choi, Y.K. Park, K. Park // Toxicology. 2008. Vol. 245, no. 1–2. P. 90–100. https://doi.org/ 10.1016/j.tox.2007.12.022.

19. Suresh R., Ponnuswamy V., Mariappan R. Effect of annealing temperature on the microstructural, optical and electrical properties of CeO2 nanoparticles by chemical precipitation method // Applied Surface Science. 2013. Vol. 273. P. 457–464. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.02.062.

20. Пугачевский М.А. Формирование структурных дефектов в наночастицах CeO2 при лазерной абляции // Письма в Журнал технической физики. 2017. Т. 43, № 15. С. 28–33. https://doi.org/10.21883/PJTF.2017.15.44867.16821.

21. Пугачевский М.А. Изменение фотолюминесцентных свойств наночастиц СeО2 вследствие термического отжига // Журнал прикладной спектроскопии. 2019. Т. 86, № 2. С. 316–319. https://doi.org/10.1007/s10812-019-00821-5.

22. Пугачевский М.А. Влияние отжига на фотолюминесцентные свойства наночастиц диоксида титана // Журнал прикладной спектроскопии. 2012. Т. 79, № 5. С. 838–841.

23. Saifia M.A., Seal S., Godugu C. Nanoceria, the versatile nanoparticles: Promising biomedical applications // Journal of Controlled Release. 2021. No. 338. P. 164–189. https://doi.org/10.1016/ j.jconrel.2021.08.033.