Увесці:
У галіне матэрыялазнаўства,дыяксід тытана(TiO2) стаў захапляльным злучэннем з шырокім спектрам прымянення. Гэта злучэнне валодае выдатнымі хімічнымі і фізічнымі ўласцівасцямі, што робіць яго неацэнным у некалькіх галінах прамысловасці. Каб цалкам зразумець яго унікальныя якасці, неабходна глыбока вывучыць захапляльную структуру дыяксіду тытана. У гэтым паведамленні ў блогу мы вывучым структуру дыяксіду тытана і пральем святло на асноўныя прычыны яго асаблівых уласцівасцей.
1. Крышталічная структура:
Дыяксід тытана мае крышталічную структуру, якая вызначаецца ў першую чаргу унікальным размяшчэннем атамаў. ХацяTiO2мае тры крышталічныя фазы (анатаз, рутыл і брукіт), мы спынімся на дзвюх найбольш распаўсюджаных формах: рутыле і анатазе.
А. Рутылавая структура:
Рутылавая фаза вядомая сваёй тэтраганальнай крышталічнай структурай, у якой кожны атам тытана акружаны шасцю атамамі кіслароду, утвараючы скручаны актаэдр. Гэта размяшчэнне ўтварае шчыльны атамны пласт з шчыльна ўпакаваным размяшчэннем кіслароду. Такая структура надае руцілу выключную ўстойлівасць і даўгавечнасць, што робіць яго прыдатным для розных ужыванняў, уключаючы фарбу, кераміку і нават сонцаахоўны крэм.
Б. Структура анатазу:
У выпадку анатазу атамы тытана звязаны з пяццю атамамі кіслароду, утвараючы актаэдры з агульнымі краямі. Такім чынам, такое размяшчэнне прыводзіць да больш адкрытай структуры з меншай колькасцю атамаў на адзінку аб'ёму ў параўнанні з руцілам. Нягледзячы на нізкую шчыльнасць, анатаз дэманструе выдатныя фотакаталітычныя ўласцівасці, што робіць яго важным кампанентам сонечных батарэй, сістэм ачысткі паветра і самаачышчальных пакрыццяў.
2. Шчыленая зона энергіі:
Шырыня забароненай зоны з'яўляецца яшчэ адной важнай характарыстыкай TiO2 і спрыяе яго унікальным уласцівасцям. Гэты зазор вызначае электраправоднасць матэрыялу і яго адчувальнасць да паглынання святла.
А. Структура руцілавай паласы:
Рутыл TiO2мае адносна вузкую забароненую зону прыблізна 3,0 эВ, што робіць яго абмежаваным электрычным правадніком. Аднак яго паласавая структура можа паглынаць ультрафіялетавае (УФ) святло, што робіць яго ідэальным для выкарыстання ў сродках абароны ад ультрафіялету, такіх як сонцаахоўны крэм.
B. Структура паласы анатазу:
З іншага боку, анатаз дэманструе больш шырокую забароненую зону прыблізна 3,2 эВ. Гэтая характарыстыка надае анатазу TiO2 выдатную фотакаталітычную актыўнасць. Пры ўздзеянні святла электроны ў валентнай зоне ўзбуджаюцца і пераскокваюць у зону праводнасці, у выніку чаго адбываюцца розныя рэакцыі акіслення і аднаўлення. Гэтыя ўласцівасці адкрываюць дзверы для такіх прыкладанняў, як ачыстка вады і змякчэнне забруджвання паветра.
3. Дэфекты і мадыфікацыі:
Theструктура Tio2не без недахопаў. Гэтыя дэфекты і мадыфікацыі істотна ўплываюць на іх фізічныя і хімічныя ўласцівасці.
А. Вакансіі Oxygen:
Дэфекты ў выглядзе кіслародных вакансій у рашотцы TiO2 ствараюць канцэнтрацыю няпарных электронаў, што прыводзіць да павышэння каталітычнай актыўнасці і адукацыі цэнтраў афарбоўкі.
B. Мадыфікацыя паверхні:
Кантраляваныя мадыфікацыі паверхні, такія як легіраванне іншымі іёнамі пераходных металаў або функцыяналізацыя арганічнымі злучэннямі, могуць дадаткова ўзмацніць некаторыя ўласцівасці TiO2. Напрыклад, легіраванне такімі металамі, як плаціна, можа палепшыць яго каталітычныя характарыстыкі, у той час як арганічныя функцыянальныя групы могуць павысіць стабільнасць і фотаактыўнасць матэрыялу.
У заключэнне:
Разуменне незвычайнай структуры Tio2 вельмі важна для разумення яго выдатных уласцівасцей і шырокага спектру выкарыстання. Кожная крышталічная форма TiO2 валодае унікальнымі ўласцівасцямі, ад тэтраганальнай структуры рутіла да адкрытай фотакаталітычна актыўнай фазы анатазу. Даследуючы энергетычныя зазоры і дэфекты ў матэрыялах, навукоўцы могуць яшчэ больш аптымізаваць іх уласцівасці для прымянення ў розных сферах - ад метадаў ачысткі да збору энергіі. Паколькі мы працягваем разгадваць таямніцы дыяксіду тытана, яго патэнцыял у прамысловай рэвалюцыі застаецца перспектыўным.
Час публікацыі: 30 кастрычніка 2023 г