Диоксид титана - чудо материал
(про диоксид титана и нанотехнологии)
Автор(ы): Ищенко Ольга Михайловна, Костылева Ксения Леонидовна
Опубликовал(а): Костылева Ксения Леонидовна
23 апреля 2008
Создание материалов с принципиально новыми характеристиками неразрывно связано с получением наноразмерных систем. Это стало возможным благодаря разработке целого ряда новых методов, позволяющих синтезировать структуры со свойствами, регулируемыми на атомно-молекулярном уровне и не достижимые для структурно-однородных материалов.
Известно, что свойства твёрдых тел определяются не только химическим составом, но и особенностями их структуры. Поэтому новые твердофазные материалы, в принципе, можно создавать как путём использования новых химических композиций, так и разрабатывая новые процессы получения, позволяющие в широких пределах варьировать структурно-чувствительные свойства, зависящие от несовершенств электронной и кристаллической структуры [1].
В последнее время ведутся интенсивные исследования по созданию таких твердофазных материалов, в частности, оксидов переходных металлов, которые характеризуются широким спектром физико-химических свойств, благодаря чему находят применение во многих технологических процессах. Тем не менее, чистые оксидные материалы характеризуются сравнительно низким уровнем некоторых свойств и трудно регулируемой микроструктурой.
Для активирования исходных реагентов и достижения требуемых характеристик (плотности, прозрачности, прочности, термостойкости) при синтезе таких материалов широко используется введение в них микродобавок. В качестве таковых наиболее широко используется диоксид титана, обладающий химической устойчивостью, прекрасными оптическими свойствами, что приводит к высокой укрывистости и белизне композиционных материалов и покрытий.
Это ценное сырьё в производстве пигментов лакокрасочной промышленности и наполнителей композиционных полимерных материалов, диэлектрической керамики и керамических плёнок [2].
В настоящее время диоксид титана широко используется в области фотокатализа, в частности, при фотолизе воды, как экономически выгодного способа получения водорода. Такой фотокаталитический процесс можно осуществлять в двухкамерной фотоэлектрохимической ячейке, в которой зоны окисления и восстановления разделены. При этом, в качестве рабочего электрода служит диоксид титана, а кислород выполняет роль акцептора электронов.
Так, например, авторы работы [3] проводили фотолиз воды в электрохимической ячейке, состоящей из двух электродов: стеклянного электрода с TiO2-SnO и противоположного ему из Pt-Ti, расположенных на плоской поверхности. При использовании такой ячейки происходит окисление загрязняющих веществ с одновременным выделением водорода (Рисунок 1). Возможность получения водорода с помощью фотолиза воды значительно снижает затраты на его получение и позволяет использовать водород как экологически чистое сырьё для производства электроэнергии.
Фотокаталитические процессы также можно использовать и для очистки воздуха. Нанесённый на оксидную матрицу TiO2 под действием энергиии света, кислорода из воздуха и воды, образует свободные радикалы, которые способны разрушить органические и неорганические загрязнители атмосферы. Основными загрязнителями окружающей среды являются SO2, NOx, CO, бензол, полициклические ароматические углеводороды.
H2O + h+ > H+ + OH°
O2 + e- > O2°-
OH°+ OH° > H2O2
NO + ? O2°- > NO2
NO2 + ? O2°-> NO3-
Эти процессы лежат в основе действия титаноксидных катализаторов, которые добавляются для производства цементов, разработанных группой Italcementi. Изделия из такого цемента обладают свойствами самоочищения и удаления загрязнений из атмосферы. Исследования показали, что использование цемента с содержанием диоксида титана уменьшает содержание NOx в среднем на 80% (Рисунок 2) [4].
Еще одной из областей применения диоксида титана является создание солнечных батарей. Существует ряд разработок по созданию ультрафиолетовых батарей нового типа, представляющих собой электрод, на котором были выращены нанотрубки и уже поверх которых были синтезированы наночастицы диоксида титана [5].
Считается, что солнечные батареи на основе наночастиц диоксида титана — это перспективное направление в области солнечной энергетики, так как они дешевле кремниевых, но при этом значительно уступают по характеристикам. Сделать из диоксида титана эффективную солнечную батарею не так-то просто, поскольку очень немногие «выбитые» светом электроны преодолевают препятствие в виде множества тех же самых наночастиц и достигают электрода.
Диоксид титана широко используется не только как индивидуальное соединение, но и, как покрытие, которое наносят на пористые оксидные матрицы (SiO2) для увеличения его удельной поверхности, механической прочности, повышения термической и увеличения селективности получаемых на его основе катализаторов [6].
Существует целый ряд методов по нанесению диоксида титана на инертные носители, таких как молекулярное наслаивание (МН), пропитка, осаждение из газовой фазы, гидролиз [7-13]. Все перечисленные методы применяются во многих исследовательских работах. Однако, синтез методом молекулярного наслаивания, в отличие от других методов осаждения, протекает не в результате хаотичного междуатомного, межмолекулярного взаимодействия реагентов, а путем переноса и закрепления определенных структурных единиц на заранее подготовленной поверхности в соответствии с программой синтеза, тем самым, позволяя осуществлять конструирование материалов с заданными свойствами [11].
Методом молекулярного наслаивания можно создавать на поверхности равномерные слои вещества заданной толщины с точностью до монослоя, наносить в заданной последовательности монослои разной природы, то есть задавать строго состав и строение синтезируемого твёрдого вещества. При этом структурные единицы размещаются с плотностью и в положениях, предусмотренных условиями синтеза.
Активность и селективность нанесенных систем можно регулировать путем изменения толщины и фазового состояния наращиваемого титаноксидного нанослоя. Варьируя температурные режимы в ходе синтеза методом молекулярного наслаивания можно существенно влиять на фазовое состояние формирующихся титаноксидных низкоразмерных структур на поверхности различных твердофазных матриц.
Диоксид титана существует в виде трех полиморфных форм: анатаза, рутила и брукита. Наибольшую активность в фотостимулированных каталитических и фотоэлектрических реакциях проявляет диоксид титан, находящийся в анатазной модификации. Усиление фотоактивности объясняется более высоким положением уровня Ферми у анатаза (3,3 – 3,4 эВ) по сравнению с рутилом (3.1 – 3.2 эВ) [14]. В то же время, в ряде работ отмечается повышенная фотокаталитическая активность материала, в котором присутствуют одновременно три фазы диоксида титана: аморфная, анатазная и рутильная, по сравнению с состоящим из одной кристаллографической фазы. Объяснение этому эффекту дается на основании увеличения величины потенциала пространственного заряда, который создается при контакте двух фаз и благодаря присутствию локализованных электронных состояний аморфной фазы.
Для изучения влияния температуры синтеза методом МН на фазообразование и координационное окружение титана были получены нанослоистые системы TiO2/SiO2 при Т= 200 и 350оС. Фазовый состав полученных образцов анализировали методом дифракции рентгеновских лучей. Из представленных на рисунке 3 рентгенограмм видно, что для образцов, полученных при Т=200оС, рефлексы, характеризующие присутствие кристаллической модификации анатаза, проявляются только после третьего цикла молекулярного наслаивания. По мере увеличения доли титаноксидных структур интенсивность анатазных пиков заметно возрастает. В то время как, для образцов, полученных при Т=350оС, рефлексы (рисунок 4), характерные для анатазной и рутильной модификаций, появляются уже после третьего цикла обработки.
Таким образом, исследования полученных образцов рентегенофазовым анализом показали, что при 200оС наряду с рентгеноаморфными наноструктурами формируется только анатазная модификация, тогда как при 350оС, одновременно реализуются фазы анатаза и рутила, причем, в соотношении 72 / 18 %.
Из всего выше сказанного видно, что с развитием нанотехнологий обычные материалы приобретают новые свойства. Подтверждением этого является разнообразие областей применения диоксида титана. Титаноксидные наносистемы, полученные методом МН, находят очень широкое применение в современном материаловедениии и альтернативной энергетики благодаря возможности управления свойствами системы.
Таким образом, наносистемы, полученные методом МН, находят очень широкое применение в современном материаловедении благодаря возможности управления свойствами системы. В частности, это получение высокоэффективных каталитических систем, огнеупорных материалов, мембранных катализаторов, современных керамических и оптических материалов.