سامانه پژوهشی – 
بررسی خواص ساختاری و فتوکاتالیستی نانوذرات تیتانیای دوپ شده با کاتیون های فلزی- قسمت ۳

سامانه پژوهشی – بررسی خواص ساختاری و فتوکاتالیستی نانوذرات تیتانیای دوپ شده با کاتیون های فلزی- قسمت ۳

WO3

۸/۲

SnO2

۵/۳

SiC

۰/۳

ZnS

۷/۳

 
شکل ۲-۲: موقعیت نوار نیمهرساناهای انتخابی و پتانسیل اکسایش-کاهش O2/O2، OH/H2O در ۷pH=.
۲-۳ تیتانیا
عنصر تیتانیوم با عدد اتمی ۲۲ دارای آرایش اتمی[Ar]4s23d2 ، چهارمین عنصر فراوان در پوسته زمین است [۱۲]. دمای ذوب آن C˚۱۶۷۵ و عدد جرمی آن ۹۰/۴۷ میباشد. نیمه‏هادی دی‏اکسید تیتانیوم یا تیتانیا، یکی از معروف‏ترین اکسیدهای سیستم Ti-O با فرمول شیمیایی TiOاست. این ماده در سال ۱۸۲۱ کشف شد و در سال ۱۹۶۰به تولید انبوه رسید. تیتانیا یک نیمههادی با پهنای نوار ممنوعه زیاد است که به دلیل ویژگی‏های خوبی که دارد از جمله بازده فتوکاتالیستی بالا، خنثی بودن از لحاظ شیمیایی، طبیعت آمفوتری سطح، غیر سمی و زیست سازگار بودن و همچنین به دلیل تعداد فازهایی که در شرایط مختلف شیمیایی، دما و فشار
بهوجود می‏آید و نیز قیمت ارزان آن [۱۴،۱۳]، کاربردهای وسیعی در حوزه‏های مختلف مانند فتوکاتالیست‏ها، سلول خورشیدی حساس به رنگدانه، سنسورهای گازی، فیبرهای نوری، مواد الکتروکرومیک در دستگاه‏های نمایشی، حوزه بایو مواد دارد [۱۵].
۲-۳-۱ خواص فیزیکی و شیمیایی دیاکسید تیتانیوم
پودر دیاکسید تیتانیوم از نظر شیمیایی بی اثر است. در نور آفتاب رنگ خود را حفظ میکند و بسیار مات است. این خصوصیت باعث میشود تا مواد شیمیایی خاکستری یا قهوهای را که بیشتر شامل پلاستیکهای خانگی هستند، به رنگ سفید خالص درخشانی تبدیل کند. دیاکسید تیتانیوم خالص دارای ضریب شکست بسیار بالا و تجزیه نوری بیشتر از الماس است. یاقوت کبود ستارهای و یاقوت قرمز درخشندگی خود را از
دیاکسید تیتانیوم موجود در خود میگیرند [۱۶].
۲-۳-۲ ساختارهای دیاکسید تیتانیوم
دیاکسید تیتانیوم با فرمول شیمیایی TiO2، یک نیمه هادی نوع n با نوار ممنوعه عریض است. تیتانیا دارای سه پلی‏مرف اصلی آناتاز[۸]، روتایل[۹] و بروکیت[۱۰] است. تشکیل این سه نوع ساختار شدیداً وابسته به دما است.
باتوجه به گزارشات، فاز آناتاز در دماهای حدود C˚۳۰۰ شروع به جوانه‏زنی کرده و با افزایش دما تا حوالیC˚۶۰۰ بهطور کامل تشکیل می‏شود. با افزایش بیشتر دما، تحت شرایط معمولی فاز آناتاز بهصورت برگشت‏ناپذیری و طی پروسه گرمازایی تحت مکانیزم جوانه زنی و رشد، در دماهای حدود C˚۶۰۰ به فاز روتایل تبدیل می‏شود [۱۹-۱۷]. با توجه به روش ساخت و مواد اولیه‏ی مورد استفاده، دمای تشکیل این سه فاز و کامل شدن آنها با یکدیگر متفاوت است. از جمله پارامترهایی که در روی این دمای تبدیل اثر می‏گذارند عبارتند از: شکل و اندازه ذرات، ماده اولیه مورد استفاده و خلوص آن، اتمسفر، شرایط واکنش، غلظت عیوب سطحی و غلظت مرزدانه‏ها [۲۰].
از لحاظ ترمودینامیکی روتایل فاز پایدار تیتانیا است در حالیکه دو فاز آناتاز و بروکیت فرم‏های نیمه‏پایدار هستند. در بین این پلی‏مرف‏ها آناتاز و روتایل بیش‏ترین تحقیقات را به خود اختصاص داده‏اند [۲۱،۲۰]. دیاگرام دما- فشار استحاله فازی اکسید تیتانیوم در شکل ۲-۳ نشان داده شده است.
شکل ۲-۳: نمودار فاز دی اکسید تیتانیوم [۲۲].
تیتانیا دارای پنج فاز فشار بالای دیگر است که کمتر مورد بررسی قرار گرفته‎‏اند [۲۱]. دو فاز آناتاز و روتایل دارای ساختار تتراگونال می‏باشند و از اکتاهدرال‏های [TiO6]2- تشکیل شده‏اند [۱۹]. فاز بروکیت نیز دارای ساختار ارتورومبیک است [۲۱]. در شکل ۲-۴ سلول‏های واحد این سه فاز نشان داده شده ‏است.
شکل۲-۴: شماتیکی از سلول‏های واحد فاز TiO2، (الف) آناتاز، (ب) روتایل، (ج) بروکیت [۲۱].
در هر سه حالت TiO2، اتم تیتانیوم بوسیله ۶ اتم اکسیژن احاطه شده و هر اتم اکسیژن توسط ۳ اتم Ti احاطه می شود. نقطه ذوب TiO2، C˚۱۸۰۰ است. در بالای C˚۱۰۰۰ فشار جزئی اکسیژن افزایش مییابد و به طور پیوسته اکسیژن آزاد میشود. این تغییرات همراه با تغییر رنگ و هدایت الکتریکی میباشد [۲۳]. اکتاهدرال‏های TiOچهار لبه‏ی مشترک در آناتاز، دو لبه‏ی مشترک در روتایل و سه لبه‏ی مشترک در بروکیت دارند [۲۴]. جدول ۲-۲ نشان دهنده‏ی خصوصیات دو فاز روتایل و آناتاز است.
جدول۲-۲: خصوصیات آناتاز و روتایل [۲۵،۲۱].

ویژگی آناتاز روتایل