IranPolymer.com
 
 مقاله

تعیین مشخصات فاز پودر TiO2

تعیین مشخصات فاز پودر TiO2
با استفاده از تکنیک های XRD و TEM

نگار ابوالحسنی، شرکت رنگ سازی تهران اورانوس

در این تحقیق، نانو پودر و میکروپودرهای تجاری TiO2 در فازهای آناتاز و روتایل با تکنیک های پراش اشعه X (XRD) و میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) مشخصه یابی شده اند. طرح هایXRD مربوط به نانو TiO2 در فازهای روتایل و آناتاز پیک های پهنی را نشان می دهند، در حالیکه هر دو فاز میکرو TiO2، پیک های بسیار تیزی را نمایان می کنند. تصاویر TEM تعیین کننده اندازه دانه های میکروپودرهای TiO2 و نانوپودرهای آن هستند، که به ترتیبm µ 0.7-0.3 و nm10 می باشند. طرح های پراش الکترونی در منطقه انتخاب شده برای فازهای روتایل و آناتاز نانو پودرهای TiO2با نتایج حاصله از XRD همخوانی کامل دارد.
مقدمه
دی اکسید تیتان یا تیتانیا(TiO2) اولین بار در سال 1923 به طور تجاری تولید شد. این ماده از سنگ معدن های مختلف به دست آمده است. ماده حجیم TiO2 در سه نوع کلی روتایل، آناتاز و بروکیت وجود دارد. در میان آن ها، TiO2 بیشتر به صورت فازهای روتایل و آناتاز یافت می شود، که هر دوی آن ها ساختارهای تتراگونال دارند. به هر جهت، روتایل فاز مقاوم تری در دماهای بالاست و شکاف باند انرژی نوری آن (nm415) ev3.0 می باشد، در حالیکه آناتاز در دمای پایین تری تشکیل شده و شکاف باند انرژی نوری آن(nm380) ev 3.2 بوده و دارای ضریب شکست 2.3 می باشد (Brady,1971).
TiO2 در موارد زیر بیشترین کاربرد را داراست: پیگمنت ها، جاذب ها، نگهدارنده های کاتالیستی، فیلرها، پوشش ها، هدایتگرهای نوری و مواد دی الکتریک. در سال های اخیر، TiO2 به عنوان یک نیم هادی با فعالیت های فتوکاتالیستی شهرت یافته است و پتانسیل زیادی برای کاربردهایی مانند تصفیه هوای محیط، تخریب گاز اسید کربنیک و تولید گاز هیدروژن دارد. در بسیاری از این موارد، اندازه ذرات TiO2 فاکتور بسیار مهمی در کارایی آن است. تعجب آور نیست که پژوهش های بسیاری بر روی کاهش اندازه ذرات متمرکز شده اند. تلاش های بسیاری برای آماده سازی نانوپودرهای TiO2 صورت گرفته است که شامل روش سل-ژل، رسوب گذاری هموژن، روش های هیدروترمال، سنتزهای شعله ای و روش نسبتا جدید نمک های مذاب می باشد. مشخص شده است که روش های مختلف ساخت نانوپودرها اغلب نتایج متفاوتی را می دهد. حتی در یک مسیر مشخص تولید، استفاده از مقدارهای مختلف ماده اولیه، منجر به تفاوت در اندازه پودرهای بدست آمده می شود.
در نتیجه، فاز و اندازه ذرات پارامترهای مهم و تاثیرگذار بر روی خواص فیزیکی ماده هستند. تکنیک های مختلفی برای تحقیق در این زمینه بکارگرفته می شود. تعیین اندازه ذرات میتواند بر پایه مشاهده مستقیم آن ها با میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) و یا تکنیک های میکروسکوپ الکترونی روبشی(SEM) انجام گیرد. از این طریق می توانیم اطلاعات مهمی درباره شکل ذرات به دست آوریم. همچنین می توان با تکنیک پراش اشعه X (XRD) اطلاعات دیگری از اندازه ذرات به دست آورد.توجه به این نکته ضروری است که از طریق روش های TEM و XRD نه تنها می توان سایز ذرات را اندازه گیری کرد، بلکه می توان فازهای کریستالی را تشخیص داد.
مواد و روش کار
چهار نمونه تیتان تجاری در بخش عملی آزمایش از شرکت Aldrich تهیه گردید. الف) نانو پودرآناتاز 99.7% ب) میکرو پودر آناتاز 99.8% ج) نانو پودر روتایل99.5% د) میکرو پودرروتایل99.9% .
اندازه گیری های XRD توسط دستگاه پراش متر پیشرفته Bruker D8 در مد بازتاب با تابش Cu-Kα (35Kv, 30mA) گرفته شده است. در منوکروماتور اشعه پراش شده، از روش روبش مرحله ای با مقدار 0.075°(2Θ) و 4 ثانیه در هر مرحله استفاده شده است. طرح های پراش هر دو پودرهای روتایل و آناتاز با رفرانس JCPDS مقایسه شده است. به علاوه مورفولوژی پودر با تکنیک TEM با دستگاه JEOL JEM-2100 Ultra High Resolution بررسی شده است و عملیات در Kv 160 انجام شده است.
نتایج و بحث
XRD
طرح های XRD مربوط به نانو TiO2 و میکرو TiO2 در فازهای روتایل و آناتاز به ترتیب در شکل های 1و2 نشان داده شده است. در شکل 1 طرح های XRD پیک های پراش قوی را در °27 و °36 و °55 نشان می دهد که مشخص کننده TiO2 در فاز روتایل است. از طرف دیگر، در شکل 2 طرح های XRD پیک های پراش قوی را در °25 و °48 نشان می دهد که مشخص کننده فاز آناتاز می باشد. تمامی پیک ها با طیف استاندارد تطابق مناسبی دارند (JCPDS no.88-1175 , 84-1286). در شکل های 1و2 کاملا واضح است که شدت پیک های طرح پراش برای TiO2، با افزایش اندازه ذرات افزایش یافته است. نتایج نشان می دهند که پودر نانو TiO2 پلی کریستال های بی قاعده را می سازد و ذرات آمورف آن طرح پهنی را با دانسیته کم نمایان می کنند؛ بهر جهت اثر ذرات آمورف ناچیز و قابل اغماض است.



شکل 1 : XRD تیتان روتایل a) میکروپودر b) نانو پودر شکل 2 : XRD تیتان آناتاز a) میکروپودر b) نانو پودر

TEM
تصاویر TEM برای تعیین بهتر اندازه ذرات، نوع کریستال و مورفولوژی نمونه ها گرفته شده است. تصاویر روشن TEM از میکروپودرهای TiO2 در فازهای روتایل و آناتاز به ترتیب در شکل 3a و 4a آمده است. به طور واضح مشاهده می شود که پودرهای TiO2 در فاز روتایل شامل شکل های کره ای و میله ای هستند، اما ذرات پودرهای TiO2 در فاز آناتاز بیشتر مورفولوژی کره ای دارند. تصاویر نشان می دهند که اندازه ذرات در مقیاس میکرو هستند و مقدار آن ها 0.3-0.7 μm است.

شکل 3 : تصاویر TEM تیتان روتایل a) میکرو پودر b) نانو پودر c) SAED نانو پودر d) HRTEM نانو پودر
تصاویرروشن TEM از نانوپودرهای TiO2 در فازهای روتایل و آناتاز به ترتیب در شکل های 3b و 4b آمده است که نشان می دهند اندازه دانه ها کمتر از 10nm است. طرح های پراش الکترون مربوط به پودرهای نانو TiO2 در فازهای روتایل و آناتاز، در محدوده انتخاب شده (SAED)، به ترتیب در شکل های 3c و 4c آورده شده است. آن ها در تطابق کامل با نتایج XRD هستند که در شکل های 1b و 2b نشان داده شده است. در شکل 3c، طرح های SAED ازپودرهای نانو TiO2 در فاز روتایل الگوهای حلقه ای نقطه چین را نشان می دهد که حالت کریستالی ذرات را آشکار می کند. از طرف دیگر، طرح های SAED پودرهای نانو TiO2 در فاز آناتاز، شکل 4c نشان می دهد که شفافیت و شدت حلقه پلی مورفیک ضعیف است، بنابراین آن ها حالت کریستالی ضعیف داشته و آمورف می باشند.

شکل 3 : تصاویر TEM تیتان آناتاز a) میکرو پودر b) نانو پودر c) SAED نانو پودر d) HRTEM نانو پودر
حالت کریستالی پودرهای نانو TiO2 می تواند بوسیله تصاویر فاز-کنتراست و یا طرح های مایر (Moire) مشاهده گردد. شکل های 3d و 4d، طرح های شبکه کریستالی از نانو TiO2 در فازهای روتایل و آناتاز را نشان می دهد. همانگونه که در شکل مشاهده می گردد، برای فاز روتایل، تنها یک طرح شبکه کریستالی (110) با d-spacing به مقدار nm0.301 به دست می آید، در حالیکه نانو تیتان آناتاز، طرح های شبکه کریستالی (101) بسیاری با d-spacing nm 0.313 می دهد.
نتیجه گیری
در این بررسی، تحقیق بر روی مشخصه فاز و اندازه ذرات پودرهای TiO2 با استفاده از تکنیک های XRD و TEM صورت گرفته است. تمامی نمونه ها TiO2 تجاری با خلوص بالا بوده اند. از نتایج چنین بر می آید که طرح های پراش اشعه X می تواند فازهای تیتان را مشخص نماید. همچنین می توان اندازه ذرات را نیز با طرح XRD تخمین زد؛ شدت پیک طرح پراش TiO2، با بزرگ شدن اندازه ذرات بزرگ می شود. به علاوه، TEM جهت آزمایش بیشتر و مشخص شدن اندازه ذرات، همچنین نوع کریستال و مورفولوژی ذرات بکار می رود. پودرهای TiO2 در فاز روتایل شکل کروی و میله ای دارند، در حالیکه در فاز آناتاز بیشتر مورفولوژی کره ای دارند.

مراجع
1- Kheamrutai T., P.L. and B. N., Kasetsart J. (Nat. Sci.) 2008, 42: 357-361
2- Bilik,P. and G. Plesch. 2007. Mechanochemical synthesis of anatase and rutile nanopowders from TiOSO4. Mater. Lett. 61:1183-1186.
3- Brady, G.S. 1971. Materials Handbook. New York; McGraw-Hill.
4- Kim,T.K., M.N. Lee, S.H. Lee, Y.C. Park, C.K. Jung and J.H. Boo. 2005. Develoment of surface coating technology of TiO2 powder and improvement of photocatalytic activity by surface modification. Thin Solid Films 475:71-177.
5- Li, B., X. Wang, M. Yan and L. Li. 2002. Preparation and characterization of nano TiO2 powder, Mater. Chem. Phys. 78: 184-188.
6- Zhang, Q., L. Gao and J. Guo.2000. Effect of hydrolysis conditions on morphology and crystallization of nanosized TiO2 powder. J0 Eur. Ceram. Soc. 20: 2153-2158.



 
اشتراک اخبار اطلاعات درج آگهی ‪Copyright © 2014 Iran Polymer. All rights reserved.‌