Все, что нужно знать об оксидах титана

Введение

Оксиды титана - это соединения, состоящие из титана и кислорода, известные своими замечательными свойствами и широким спектром применения. Эти оксиды представлены в основном двумя формами: диоксидом титана (TiO₂) и монооксидом титана (TiO). В этой статье мы рассмотрим характеристики, методы синтеза, области применения и влияние оксидов титана на окружающую среду.

Виды оксидов титана

1. Диоксид титана (TiO₂)

TiO₂ - это белый порошок без запаха с высоким коэффициентом преломления и сильным поглощением ультрафиолетового света. Он обладает фотокаталитической активностью и химической стабильностью, а также нетоксичен.

TiO₂ существует в трех основных полиморфах- анатазе, рутиле и бруките. Наиболее распространены анатаз и рутил, причем рутил термодинамически стабилен, а анатаз превращается в рутил при нагревании.

2. Монооксид титана (TiO)

TiO менее распространен, обладает металлическим блеском и электропроводностью. Он имеет структуру каменной соли и часто используется в специализированных областях, таких как тонкие пленки и покрытия.

Синтез оксидов титана

1. Диоксид титана (TiO₂)

• Сульфатный процесс получения TiO₂ включает в себя реакцию ильменита (FeTiO₃) с серной кислотой, в результате которой образуется титанилсульфат. Это соединение затем гидролизуют и прокаливают, чтобы получить диоксид титана.
• Другой метод, известный как хлоридный процесс, включает хлорирование ильменита или рутила при высоких температурах с образованием тетрахлорида титана (TiCl₄), который впоследствии окисляется с получением TiO₂.
• Более современный подход - золь-гель метод, при котором алкоксиды титана подвергаются гидролизу и полимеризации с последующей сушкой и прокаливанием. В результате этого процесса получаются наночастицы TiO₂ с контролируемым размером и морфологией.

[1]

2. Монооксид титана (TiO)

При синтезе монооксида титана (TiO) обычно используются восстановительные методы. Обычно TiO получают путем восстановления TiO₂ водородом или путем прямого соединения титана и кислорода в тщательно контролируемых условиях.

Области применения оксидов титана

1. Диоксид титана (TiO₂)

• Пигменты: TiO₂ является наиболее широко используемым белым пигментом благодаря своей яркости и непрозрачности. Он используется в красках, покрытиях, пластмассах, бумаге и чернилах.
• Солнцезащитные средства и косметика: Благодаря сильному поглощению ультрафиолетовых лучей TiO₂ является ключевым ингредиентом солнцезащитных кремов и других косметических средств, обеспечивая защиту от вредного ультрафиолетового излучения.
• Фотокатализ: Фотокаталитические свойстваTiO₂делают его полезным в экологических приложениях, таких как очистка воздуха и воды, самоочищающиеся поверхности и антибактериальные покрытия.
• Электроника: TiO₂ используется в производстве электронных компонентов, таких как варисторы и конденсаторы, благодаря своим диэлектрическим свойствам.

[2]

2. Монооксид титана (TiO)

Тонкие пленки и покрытия: TiO используется в производстве тонких пленок для применения в оптических покрытиях, полупроводниках и датчиках. Его электропроводность и термическая стабильность делают его подходящим для этих целей.

Воздействие на окружающую среду и безопасность

Воздействие на окружающую среду: Хотя TiO₂ в целом считается безопасным для здоровья человека и окружающей среды, его широкое использование вызывает опасения по поводу загрязнения окружающей среды наночастицами. Наночастицы TiO₂ могут попадать в водоемы, потенциально влияя на жизнь водных организмов. Поэтому существуют правила и рекомендации, регулирующие их производство и утилизацию.

Здоровье человека: TiO₂ считается нетоксичным, и его использование в продуктах питания, косметике и фармацевтических препаратах регулируется для обеспечения безопасности. Однако вдыхание пыли TiO₂ может представлять опасность для дыхательных путей, что подчеркивает важность правильного обращения и защитных мер в промышленных условиях.

Фотокаталитическая активность: Фотокаталитические свойства TiO₂ могут приводить к образованию реактивных видов кислорода (ROS), которые могут оказывать как благоприятное, так и вредное воздействие. В экологических приложениях ROS могут разлагать загрязняющие вещества, но чрезмерное воздействие ROS может вызвать окислительный стресс в живых организмах.

Перспективы на будущее и исследования

В настоящее время ведутся исследования по разработке усовершенствованных материалов на основе TiO₂ с улучшенными свойствами для применения в накопителях энергии, фотовольтаике и фотокатализе. Инновации включают легирование TiO₂ другими элементами для повышения его эффективности и изучение новых методов синтеза для лучшего контроля над размером и морфологией частиц.

Предпринимаются усилия по разработке более устойчивых и экологически безопасных методов производства и использования оксидов титана. Это включает в себя использование принципов "зеленой химии", переработку отходов TiO₂ и повышение эффективности фотокаталитических процессов.

Заключение

Оксиды титана, в частности TiO и TiO₂, играют важнейшую роль в различных отраслях промышленности. TiO, обладающий металлическим блеском и электропроводностью, в основном используется в таких специализированных областях, как производство тонких пленок и покрытий. В то время как TiO₂, известный своим высоким коэффициентом преломления, сильным поглощением ультрафиолетового света, фотокаталитической активностью и химической стабильностью, находит широкое применение в пигментах, солнцезащитных средствах, косметике, фотокатализе и электронике.

По мере развития технологий оксиды титана будут оставаться на переднем крае материаловедения и промышленного применения. Stanford Advanced Materials (SAM) предлагает высококачественную титановую продукцию по конкурентоспособным ценам. Мы предлагаем фотокаталитический порошок нанодиоксида титана, порошок нанодиоксида титана для литиевых батарей, порошок нанодиоксида титана для керамики, а также анатазную и рутиловую формы диоксида титана. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, посетите нашу домашнюю страницу.

Ссылки:

[1] Pawar, Vani & Kumar, Manish & Dubey, Pawan & Singh, Manish Kumar & Sinha, Ask & Singh, Prabhakar. (2019). Влияние маршрута синтеза на структурные, оптические и электрические свойства TiO2. Прикладная физика A. 125. 10.1007/s00339-019-2948-3.

[2] Leong, Kah & Ching, Sim & Pichiah, Saravanan & Ibrahim, S. (2016). Наноматериалы, управляемые светом, для удаления сельскохозяйственных токсинов.