نانو مواد دی اکسید تیتانیوم | سنتز و کاربرد

نهمین عنصر فراوان روی سطح زمین، تیتانیوم است که در سال 1791 برای اولین بارکشف شد.

این عنصر با عدد اتمی 22 و سطحی نرم و براق و درخشان به همراه وزنی سبک، تنها عنصری است که قابل سوختن در نیتروژن خالص و دومین ماده پر استفاده در صنعت نانو، بعد از نانو مواد نقره است.

تمام خواص دی اکسید تیتانیوم در نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم قرار دارد، اما از آنجایی که مواد در مقیاس نانو واکنش پذیری بالایی دارند این مواد نیز در اندازه نانو از بهره وری بالاتری برخوردارند.

نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم در کاربردهای متنوعی اعم از ساخت و ساز ساختمانی، دارویی و بهداشتی، صنعت الکترونیک و… که در بخش بعدی این مقاله خواهیم خواند، استفاده میشود.

در ادامه مقاله نیز فازهای ساختار کریستالی این نانو ذرات و همینطور روش سنتز تیتانیوم را بررسی خواهیم کرد.

کاربرد و خصوصیات نانو مواد دی اکسید تیتانیوم:

هر کدام از نانوذرات آنتی باکتریال علاوه بر خصوصیات مشترکی که با یکدیگر دارند یک شاخصه اصلی و خصوصیت منحصر به فرد خود را نیز دارا هستند.

این خصوصیت در نانوذرات آنتی باکتریال، خاصیت فتوکاتالیستی و فوق آبدوستی این ذرات است که باعث میشود نانوذرات تیتانیوم را از دیگر مواد نانو آنتی باکتریال تمیز دهد.

همینطور خواص دیگر نوری و الکتریکی، قیمت پایین، ثبات شیمیایی، غیر سمی و محصول سبز بودن و… باعث شده در صنایع گوناگون و متنوعی کاربرد داشته باشند که در ادامه به جزییتشان خواهیم پرداخت.

خاصیت فوتوکاتالیستی :

خاصیت فتوکاتالیستی (ماده ای که در اثر تابش نور واکنش شیمیایی در سطح یا محیط بدهد) یکی از مهم ترین خواص نانوذرات دی اکسید تیتانیوم است.

لایه های که در فاز بلوره ای آناتاس قرار دارند در اثر جذب نور فرابنفش تحریک شده و درنتیجه باعث برانگیخته شدن الکترون اتم های سطح با جذب فوتون و حرکت این الکترون ها از لایه ظرفیت به لایه هدایت، میشود.

در اثر این واکنش ها زوج الکترون حفره در سطح نانو مواد دی اکسید تیتانیوم به وجود آمده و مولکول های اکسیژن در اثر برخورد با سطح، این الکترون ها را می ربایند.

همین امر باعث فعال شدن سطح ماده و اماده اکسید کردن مولکول های الوده کننده هوا و باکتری های سطح شده و خاصیت خود تمیز شوندگی و تمیز کننده محیط و سطح را، از باکتری یا بو را در این ماده فعال میکند.

خصوصیت فوق آبدوستی نانو ذرات تیتانیوم:

هر سطحی از ماده، قطرات آب را تا حدودی دفع میکنند. میزان این دفع شدن با درجه دفع، که گویای زاویه قطره آب با سطح موجود است، مشخص میشود.
به عنوان مثال، هنگامی که قطره آب بر روی شیشه قرار میگیرد زاویه ای به میزان 20 تا 30 درجه شکل میگرد.
اما در سطوحی که با تیتانیوم پوشش داده شده اند این میزان چند ده درجه است که در صورت تابش نور خورشید این میزان شروع به کاهش میکند و آب به جای قطرهای منفکت ( که دلیل بخار رو شیشه هاست) به شکلی پخش و یکپارچه شدن، سوق پیدا میکند که نهایت با رسیدن این زاویه به صفر بر روی سطح پخش میشود.

به طور معمول این زاویه کم تا چند روز دوام خود را بدون تابش نور خورشید حفظ میکنند که در صورت برخورد دوباره با اشعه UV دوباره برانگیخته شده. لازم به ذکر است این خاصیت آبدوستی هیچ تناقضی با مکانیزم فتوکاتالیستی نداشته و اتفاقا مکمل یکدیگر برای پخش کردن آب و از بین بردن بخار و باکتری های سطح عمل میکنند.

کاربرد های نانو ذرات تیتانیوم در صنایع گوناگون:

ناو مواد دی اکسید تیتانیوم در کاربردهای گوناگون و در صنایع متنوع بخاطر خواص آنتی باکتریال، نیمه رسانا، فتوکاتالیستی،آبدوستی، نوری و… کاربرد دارد.

• مورد استفاده در رنگ ها، سیمان و پنجرها در صنعت ساختمان به دلیل خواص فتوکاتالیستی و ساخت سرامیک های آنتی باکتریال و خودتمیز شونده حمام، استخر، بیمارستان ها و اماکن ورزشی و عمومی.
• مورد استفاده در شیشه های خودرو یا ساختمان برای ضد بخار کردن و خاصیت خود تمیزشوندگی.
• مورد استفاده در ساخت اپتوالکترونیک، فتوولتائیک، سنسورها، پیل‌های سوختی، باتری‌ها ،عایق الکتریکی خازن، مورد استفاده در ساخت ال ای دی و سلول های خورشیدی در صنعت الکتریک.
• به عنوان پاک کننده ناخالصی محلول آبی (فاضلاب و پساب ها و…) و حذف آلاینده های آب و هوایی و مورد استفاده در تهویه هوای تونل، کارخانجات سالن های ورزشی و….
• در ساخت لوازم آرایشی بهداشتی مانند کرم ضد آفتاب ، نرم کننده و مسواک های بدون نیاز به خمیر و در ساخت عینک. همچنین استفاده در دارو سازی پزشکی و کاربردهای ضد سرطانی دی اکسید تیتانیوم.
• در صنعت نساجی برای لباس های بیمارستانی و همچنین لباس های عمومی با الیاف های ضد بو و باکتری و همینطور خاصیت آنتی یووی آنها برای جلوگیری از تخریب الیاف و چروک شدن آنها.
• استفاده های متعدد در صنعت پلاستیک و لاستیک برای بسته بندی و فیلم های آنتی یو وی و…
  
  

فاز های ساختار کریستالی نانو ذرات اکسید تیتانیوم:

فاز های ساختاری کریستالی تیتانیوم بصورت عمده بر سه حالت به اسم های روتایل،آاناتاز و بروکایت است.
پایدارترین ساختار این سه حالت متعلق به روتایل است که تا درجه 1840 سانتی گراد پایدار است.

دو ساختار دیگر در اثر حرارت بالاتر (اناتاز در 750 و بروکایت در 950 سانتی گراد) تبدیل به روتایل میشوند.

ساختار روتایل و آناتاز به نسبت بروکایت از اهمیت کاربردی و تکنیکی بالاتری برخوردار است در صورتی که خواص فیزیکی هر سه به شکل عمده ای با یکدیگر متفاوت است. مورفولوژی و شکل اتم های این ذرات به شکل یک هشت وجهی که با شش اتم اطراف خود در ارتباط است که در شکل زیر مشاهده میکنید.

ضریب سختی روتایل 6.5 تا 7.0 بوده وآاناتاز ضریب کمتری بین 4.5 تا 6.0 برخوردار است. از همین رو در صنایعی که به انعطاف بیشتر نیازمند اند مانند نساجی و یا کاغذ و… از آناتاز و در مواردی که به سختی نیازمند باشند از روتایل استفاده میشود.

ضریب شکست و طیف جذب نوری عاملی است که باعث کاربردی شدن تیتانیوم در عنوان رنگدگانه سفید میشود.
که ضریب شکست نور برای روتایل 2.7 و برای اناتاز 2.55 می باشد و همچنین کوچک بودن طول موج در ساختار آناتاز باعث کاربردی تر شدن این ذرات به نسبت روتایل است.

نانوذرات دی اکسید تیتانیوم به دلیل پایین تر بودن انرژی سطحی در فاز شبه پایدار آناتاز نسبت به تعادل روتایل فاز تمایل به تشکیل این فاز دارند.

سطوح دی اکسید تیتانیوم فوق العاده در ساختار آناتاز دارای خاصیت ضدعفونی کننده فوتوکاتالیستی است که باعث می شود به عنوان یک ماده افزودنی در مصالح ساختمانی مثلاً در پوشش های ضد بخار و پنجره های خود تمیز کننده مفید باشد.

سنتز نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم:

سنتز نانو مواد تیتانیوم به روش های گوناگونی انجام میشود که هر کدام را با توجه به کاربری و شرایط موجود انتخاب میکنیم.

روش های متنوعی برای این عمل موجود است که ما در این مقاله به عمومی ترین آنها یعنی سل ژل، هیدروترمال، مکانو شیمیایی، میکرو اختلاط و چگالش از طریق بخار شیمیایی خواهیم پرداخت.

سنتز سل ژل:

سل ژل روشی عمومی برای سنتز ریز فلز ها می باشد. افراد متعددی این روش را با فرایند های مختلفی انجام داده اند. گروهی با اضافه کردن بوتیل تیتانات به آب دیونیزه و همینطور با اضافه کردن هیدروکلیرک و یا آمونیاک ژلی تهیه کرده که پس از خشک شدن و آسیاب کردن در دماهای مختلف تکلیس کرده و در نتیجه این امر نانو ذرات تیتانیوم به شکل پودر حاصل میشود.

روش دیگر که میکرومولاسیون نام دارد که به کمک هیدرولیز تترایزوپروپاکسیدتیتانیوم در میکروامولوسیون، تیتانیوم را سنتز و در نهایت در دماهای مختلف تکلیس میکنند.

و در برخی از موارد نیز از فعال کننده های سطحی در فرایند قبل از مرحله هم زدن و خشک کردن استفاده میکنند.

مکانو شیمیایی:

این روش با به کارگیری انرژی مکانیکی سبب فعال شدن واکنش شیمیایی میشود.

این نوع سنتز که برای نانوذرات پودر و مایع استفاده میگردد از محفظه و گلوله هایی از جنس الومینا برای آسیاب کردن استفاده میشود.

این واکنش که پس از 5 دقیقه اسیاب کردن کامل شده و پیک های مربوط به محصول جانبی واکنش نمایان میشود. پس از آنیل کردن در دماهای گوناگون نانو بلورهای کروی شکل حاصل میشود.

سنتز به روش چکالش از بخار شیمیایی:

در این فرایند نانو ذرات با رسوب دهی شیمیایی در حالت بخار، در فشار پایین یا اتمسفری سنتز میشوند.
این روش برای کاربردهای خاص و خلوص بالای نانو ذرات استفاده میشود.

فرآيند CVC، تتراايزوپروپاكسيدتيتانيوم TTIP را با سـرعت بـه داخل لوله ی راكتوري با ديوارهي داغ تغذيه كرده و طی واکنش ذرات TIO از فاز گازی روی سطح میله ای کوارتزی که به شکل افقی در مرکز لوله راکتور قرار گرفته، رسوب میکنند. و در نهایت نانوذرات تولید شده از روی میله جمع آوری میشود.

روش هیدروترمال:

برای پودر های اکسیدی ساده در دماهای نسبتا پایین از روش هیدروترمال استفاده میشود.

در این روش پس از به دست اوردن سل از محلول، آنرا در اتوکلاو حرارت داده تا نانو ذرات اکسید سنتز شوند.
اما از آنجا که فرایند های گوناگونی در سنتز به روش هیدروترمال وجود دارد این روش به گونه های متعددی انجام میشود.

در روش یانگ، در پروسه حرارت دهی از اعمال فشار استفاده کرده و دمای کاری را کاهش میدهند. که در نتیجه رسوبات TiO2 با افزودن قطـرهاي 0/5M محلـول ايزوپروپـانولبوتوكـسيدتيتانيوم 5 بـه داخـل آب ديـونيزه تهیه شده.

رسوبات سفيد رنگ با آب ديونيزه و با كمك نيروي گريز از مركز شسته شده و پس از خنثی سازي توسط ،HNO3 به مدت 1 ساعت در دماي 70ºC خشك گرديدند.

مشاهده شد كه بسته به مقادير مختلف ماده خنثي كننده، نانوذرات تهيـه شـده داراي اشـكال مختلـف و انـدازه متوسـط بـين 15-50 nm بوده و كاملاً به صورت فاز آناتـاز يـا روتايـل مـيباشـند.

روش دیگر مایکروویو میباشد که TICL توسط آب یخ مقطر رقیق گردید تا محلول تشکیل شود. سپس مقدار مشخصی اوره به محصول اضافه شده و درون ظرفی شفاف ریخته میشود تا امکان برخورد امواج مایکروویو وجود داشته باشد.

و بعد از تابش مایکروویو، محصول جامد شده فیلتر شده و با آب مقطر شستشه میشود.
در انتها پودر بلوری رسوب داده شده، فیلتر و سپس توسط خشک کن خشک میگردد.

روش میکرواختلاط:

در این فرایند یک فاز میکرونی، درون فاز دیگر پخش شده و مقدار مخلوطی با سرعت جریان و اندازه ی سوراخ های قشای فعال کننده سطحی و ویسکوزیته قابل کنترل میباشد.
برای انجام این کار دو محلول سوالفات تیتانیوم و بی کربنات امونیوم با غلظت های مختلف به کمک دو پمپ به داخل دستگاه تزریق میگردد.در نهایت یک از محلول های درون میکرو غشا به داخل دیگر محلول ، به یک ژل سنتز شده و پس از چند بار شستشو، خشک شده و نهایت درون فر آنیل شده قرار میدهیم تا نانو ذرات تیتانیوم ساخته شوند.