Wprowadzić:
W dziedzinie inżynierii materiałowej m.in.dwutlenek tytanu(TiO2) okazał się fascynującym związkiem o szerokim zakresie zastosowań.Związek ten posiada doskonałe właściwości chemiczne i fizyczne, co czyni go nieocenionym w wielu sektorach przemysłu.Aby w pełni zrozumieć jego wyjątkowe właściwości, należy dogłębnie zbadać fascynującą strukturę dwutlenku tytanu.W tym poście na blogu zbadamy strukturę dwutlenku tytanu i rzucimy światło na podstawowe przyczyny jego wyjątkowych właściwości.
1. Struktura kryształu:
Dwutlenek tytanu ma strukturę krystaliczną, zdeterminowaną przede wszystkim unikalnym układem atomów.ChociażTiO2ma trzy fazy krystaliczne (anataz, rutyl i strumyk), skupimy się na dwóch najpowszechniejszych formach: rutylu i anatazie.
A. Struktura rutylowa:
Faza rutylowa znana jest z tetragonalnej struktury krystalicznej, w której każdy atom tytanu jest otoczony sześcioma atomami tlenu, tworząc skręcony ośmiościan.Układ ten tworzy gęstą warstwę atomową z gęsto upakowanym układem tlenu.Taka struktura zapewnia rutylowi wyjątkową stabilność i trwałość, dzięki czemu nadaje się do różnych zastosowań, w tym do farb, ceramiki, a nawet filtrów przeciwsłonecznych.
B. Struktura anatazu:
W przypadku anatazu atomy tytanu są związane z pięcioma atomami tlenu, tworząc ośmiościany o wspólnych krawędziach.Dlatego taki układ skutkuje bardziej otwartą strukturą z mniejszą liczbą atomów na jednostkę objętości w porównaniu z rutylem.Pomimo niskiej gęstości anataz wykazuje doskonałe właściwości fotokatalityczne, co czyni go ważnym składnikiem ogniw słonecznych, systemów oczyszczania powietrza i powłok samoczyszczących.
2. Pasmo wzbronione energii:
Pasmo wzbronione energii jest kolejną ważną cechą TiO2 i przyczynia się do jego wyjątkowych właściwości.Szczelina ta określa przewodność elektryczną materiału i jego wrażliwość na absorpcję światła.
A. Struktura pasma rutylowego:
Rutyl TiO2ma stosunkowo wąskie pasmo wzbronione wynoszące około 3,0 eV, co czyni go ograniczonym przewodnikiem elektrycznym.Jednakże jego struktura pasmowa może pochłaniać światło ultrafioletowe (UV), dzięki czemu idealnie nadaje się do stosowania w środkach chroniących przed promieniowaniem UV, takich jak filtry przeciwsłoneczne.
B. Struktura pasma anatazu:
Z drugiej strony anataz wykazuje szersze pasmo wzbronione wynoszące około 3,2 eV.Ta cecha zapewnia anatazowi TiO2 doskonałą aktywność fotokatalityczną.Pod wpływem światła elektrony w paśmie walencyjnym są wzbudzane i przeskakują do pasma przewodnictwa, powodując różne reakcje utleniania i redukcji.Właściwości te otwierają drzwi do zastosowań takich jak oczyszczanie wody i ograniczanie zanieczyszczenia powietrza.
3. Wady i modyfikacje:
Thestruktura Tio2nie jest pozbawiony wad.Wady te i modyfikacje znacząco wpływają na ich właściwości fizyczne i chemiczne.
A. Wolne miejsca w tlenie:
Defekty w postaci wakatów tlenowych w sieci TiO2 wprowadzają koncentrację niesparowanych elektronów, co prowadzi do zwiększonej aktywności katalitycznej i tworzenia się centrów barwnych.
B. Modyfikacja powierzchni:
Kontrolowane modyfikacje powierzchni, takie jak domieszkowanie innymi jonami metali przejściowych lub funkcjonalizacja związkami organicznymi, mogą dodatkowo poprawić pewne właściwości TiO2.Na przykład domieszkowanie metalami takimi jak platyna może poprawić jego działanie katalityczne, podczas gdy organiczne grupy funkcyjne mogą zwiększyć stabilność i fotoaktywność materiału.
Podsumowując:
Zrozumienie niezwykłej struktury Tio2 ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia jego niezwykłych właściwości i szerokiego zakresu zastosowań.Każda krystaliczna forma TiO2 ma unikalne właściwości, od tetragonalnej struktury rutylowej po otwartą, aktywną fotokatalitycznie fazę anatazu.Badając pasma energetyczne i defekty w materiałach, naukowcy mogą dalej optymalizować ich właściwości pod kątem zastosowań, od technik oczyszczania po pozyskiwanie energii.W miarę jak nadal odkrywamy tajemnice dwutlenku tytanu, jego potencjał w rewolucji przemysłowej pozostaje obiecujący.
Czas publikacji: 30 października 2023 r