وبلاگ

 

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 TiO₂ است. 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
به ­وجود 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 می­ کند و بسیار مات است. این خصوصیت باعث می­ شود 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 به­ طور کامل تشکیل می‏شود. با افزایش بیش­تر دما، تحت شرایط معمولی فاز آناتاز به­ صورت 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 داده ‏اند [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 می­ شود. این تغییرات همراه با تغییر رنگ و هدایت الکتریکی می­باشد [۲۳]. اکتاهدرال‏های TiO₆ چهار 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

 

جرم مولکولی (g.mol^-1)

۸۸/۷۹

۸۸/۷۹

 

نوع ساختار

تتراگونال

تتراگونال

 

تعداد اتم­ها در هر سلول واحد (Z)

۴

۲