Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рисунок 1 - Схема электрохимической ячейки [3]
Рисунок 2 – Зависимость удаления загрязнений из атмосферы материалами с добавлением TiO2
Рисунок 3 - Рентгенограммы TiO2/SiO2, полученные при 200 оС после 1, 2, 3, 4 циклов МН
Рисунок 4 - Рентгенограммы TiO2/SiO2, полученные при 200 оС после 1, 2, 3, 4 циклов МН

Диоксид титана – чудо материал

Ключевые слова:  Конкурс статей, периодика

Автор(ы): Ищенко Ольга Михайловна, Костылева Ксения Леонидовна

Опубликовал(а):  Костылева Ксения Леонидовна

23 апреля 2008

Создание материалов с принципиально новыми характеристиками неразрывно связано с получением наноразмерных систем. Это стало возможным благодаря разработке целого ряда новых методов, позволяющих синтезировать структуры со свойствами, регулируемыми на атомно-молекулярном уровне и не достижимые для структурно-однородных материалов.

Известно, что свойства твёрдых тел определяются не только химическим составом, но и особенностями их структуры. Поэтому новые твердофазные материалы, в принципе, можно создавать как путём использования новых химических композиций, так и разрабатывая новые процессы получения, позволяющие в широких пределах варьировать структурно-чувствительные свойства, зависящие от несовершенств электронной и кристаллической структуры [1]. В последнее время ведутся интенсивные исследования по созданию таких твердофазных материалов, в частности, оксидов переходных металлов, которые характеризуются широким спектром физико-химических свойств, благодаря чему находят применение во многих технологических процессах. Тем не менее, чистые оксидные материалы характеризуются сравнительно низким уровнем некоторых свойств и трудно регулируемой микроструктурой. Для активирования исходных реагентов и достижения требуемых характеристик (плотности, прозрачности, прочности, термостойкости) при синтезе таких материалов широко используется введение в них микродобавок. В качестве таковых наиболее широко используется диоксид титана, обладающий химической устойчивостью, прекрасными оптическими свойствами, что приводит к высокой укрывистости и белизне композиционных материалов и покрытий. Это ценное сырьё в производстве пигментов лакокрасочной промышленности и наполнителей композиционных полимерных материалов, диэлектрической керамики и керамических плёнок [2].

В настоящее время диоксид титана широко используется в области фотокатализа, в частности, при фотолизе воды, как экономически выгодного способа получения водорода. Такой фотокаталитический процесс можно осуществлять в двухкамерной фотоэлектрохимической ячейке, в которой зоны окисления и восстановления разделены. При этом, в качестве рабочего электрода служит диоксид титана, а кислород выполняет роль акцептора электронов. Так, например, авторы работы [3] проводили фотолиз воды в электрохимической ячейке, состоящей из двух электродов: стеклянного электрода с TiO2-SnO и противоположного ему из Pt-Ti, расположенных на плоской поверхности. При использовании такой ячейки происходит окисление загрязняющих веществ с одновременным выделением водорода (Рисунок 1). Возможность получения водорода с помощью фотолиза воды значительно снижает затраты на его получение и позволяет использовать водород как экологически чистое сырьё для производства электроэнергии.

Фотокаталитические процессы также можно использовать и для очистки воздуха. Нанесённый на оксидную матрицу TiO2 под действием энергиии света, кислорода из воздуха и воды, образует свободные радикалы, которые способны разрушить органические и неорганические загрязнители атмосферы. Основными загрязнителями окружающей среды являются SO2, NOx, CO, бензол, полициклические ароматические углеводороды.

H2O + h+ → H+ + OH°

O2 + e- → O2°-

OH°+ OH° → H2O2

NO + ½ O2°- → NO2

NO2 + ½ O2°-→ NO3-

Эти процессы лежат в основе действия титаноксидных катализаторов, которые добавляются для производства цементов, разработанных группой Italcementi. Изделия из такого цемента обладают свойствами самоочищения и удаления загрязнений из атмосферы. Исследования показали, что использование цемента с содержанием диоксида титана уменьшает содержание NOx в среднем на 80% (Рисунок 2) [4].

Еще одной из областей применения диоксида титана является создание солнечных батарей. Существует ряд разработок по созданию ультрафиолетовых батарей нового типа, представляющих собой электрод, на котором были выращены нанотрубки и уже поверх которых были синтезированы наночастицы диоксида титана [5].

Считается, что солнечные батареи на основе наночастиц диоксида титана — это перспективное направление в области солнечной энергетики, так как они дешевле кремниевых, но при этом значительно уступают по характеристикам. Сделать из диоксида титана эффективную солнечную батарею не так-то просто, поскольку очень немногие «выбитые» светом электроны преодолевают препятствие в виде множества тех же самых наночастиц и достигают электрода.

Диоксид титана широко используется не только как индивидуальное соединение, но и, как покрытие, которое наносят на пористые оксидные матрицы (SiO2) для увеличения его удельной поверхности, механической прочности, повышения термической и увеличения селективности получаемых на его основе катализаторов [6].

Существует целый ряд методов по нанесению диоксида титана на инертные носители, таких как молекулярное наслаивание (МН), пропитка, осаждение из газовой фазы, гидролиз [7-13]. Все перечисленные методы применяются во многих исследовательских работах. Однако, синтез методом молекулярного наслаивания, в отличие от других методов осаждения, протекает не в результате хаотичного междуатомного, межмолекулярного взаимодействия реагентов, а путем переноса и закрепления определенных структурных единиц на заранее подготовленной поверхности в соответствии с программой синтеза, тем самым, позволяя осуществлять конструирование материалов с заданными свойствами [11].

Методом молекулярного наслаивания можно создавать на поверхности равномерные слои вещества заданной толщины с точностью до монослоя, наносить в заданной последовательности монослои разной природы, то есть задавать строго состав и строение синтезируемого твёрдого вещества. При этом структурные единицы размещаются с плотностью и в положениях, предусмотренных условиями синтеза.

Активность и селективность нанесенных систем можно регулировать путем изменения толщины и фазового состояния наращиваемого титаноксидного нанослоя. Варьируя температурные режимы в ходе синтеза методом молекулярного наслаивания можно существенно влиять на фазовое состояние формирующихся титаноксидных низкоразмерных структур на поверхности различных твердофазных матриц.

Диоксид титана существует в виде трех полиморфных форм: анатаза, рутила и брукита. Наибольшую активность в фотостимулированных каталитических и фотоэлектрических реакциях проявляет диоксид титан, находящийся в анатазной модификации. Усиление фотоактивности объясняется более высоким положением уровня Ферми у анатаза (3,3 – 3,4 эВ) по сравнению с рутилом (3.1 – 3.2 эВ) [14]. В то же время, в ряде работ отмечается повышенная фотокаталитическая активность материала, в котором присутствуют одновременно три фазы диоксида титана: аморфная, анатазная и рутильная, по сравнению с состоящим из одной кристаллографической фазы. Объяснение этому эффекту дается на основании увеличения величины потенциала пространственного заряда, который создается при контакте двух фаз и благодаря присутствию локализованных электронных состояний аморфной фазы.

Для изучения влияния температуры синтеза методом МН на фазообразование и координационное окружение титана были получены нанослоистые системы TiO2/SiO2 при Т= 200 и 350оС. Фазовый состав полученных образцов анализировали методом дифракции рентгеновских лучей. Из представленных на рисунке 3 рентгенограмм видно, что для образцов, полученных при Т=200оС, рефлексы, характеризующие присутствие кристаллической модификации анатаза, проявляются только после третьего цикла молекулярного наслаивания. По мере увеличения доли титаноксидных структур интенсивность анатазных пиков заметно возрастает. В то время как, для образцов, полученных при Т=350оС, рефлексы (рисунок 4), характерные для анатазной и рутильной модификаций, появляются уже после третьего цикла обработки.

Таким образом, исследования полученных образцов рентегенофазовым анализом показали, что при 200оС наряду с рентгеноаморфными наноструктурами формируется только анатазная модификация, тогда как при 350оС, одновременно реализуются фазы анатаза и рутила, причем, в соотношении 72 / 18 %.

Из всего выше сказанного видно, что с развитием нанотехнологий обычные материалы приобретают новые свойства. Подтверждением этого является разнообразие областей применения диоксида титана. Титаноксидные наносистемы, полученные методом МН, находят очень широкое применение в современном материаловедениии и альтернативной энергетики благодаря возможности управления свойствами системы.

Таким образом, наносистемы, полученные методом МН, находят очень широкое применение в современном материаловедении благодаря возможности управления свойствами системы. В частности, это получение высокоэффективных каталитических систем, огнеупорных материалов, мембранных катализаторов, современных керамических и оптических материалов.

Список использованных источников

1. Третьяков Ю.Д., Путляев В.И. Введение в химию твердофазных материалов.- М.: Изд-во Моск. Ун-та: Наука, 2006.- 400 с.

2. Шабанова Н.А., Попов В.В., Саркисов П.Д. Химия и технология нанодисперсных оксидов.– М.: ИКЦ «Академкнига», 2006.– 309 с.

3. Water treatment using nano-crystalline TiO2 electrodes/ J.A. Byrne, A. Davidson, P.S.M. Dunlop, B.R. Eggins// J Photochemistry and Photobiology A: Chemistry.–2002..- V. 148.– P.365–374

4. http://www.italcementigroup.com

5. http://www.giredmet.ru/obzory/2007/0711/071121-2_S.html

6. Ермилов П.И., Индейкин Е.А., Толмачев И.А. Пигменты и пигментированные лакокрасочные материалы.– Л.: Химия, 1987. -200 с.

7. Preparation and in-Situ Spectroscopic Characterization of Molecularly Dispersed Titanium Oxide on Silica/ X. Gao, S.R. Bare, J.L.G. Fierro, et al// J Phys. Chem. В.- 1998.- V. 102.- Р.5653-5666.

8. Zahng R.-B. Photodegradation of toluene using silica-embedded titania.// J Non-Cryst. Solids.– 2005.- V. 351.- Р.2130–2133.

9. Zhaobin W., Qin X., Xiexian G. Titania-modified Hydrodesulphurization Catalysts. I. Effect of Preparation Techniques on Morphology and Properties of TiO2-Al2O3 Carrier// Appl. Catalysis.-1990.- V. 63.- Р.305-317.

10. Foger K., Anderson J.R. Termally stable SMSI support: Iridium supported on TiO2-Al2O3 and Ce-stabilized anatase. // Appl. Catalysis.- 1986.- V. 23.- Р.139-155.

11. Алесковский В.Б. Стехиометрия и синтез твёрдых веществ соединений.- Л.: Наука, 1976. -140 с.

12. Кольцов С.И. Реакции молекулярного наслаивания: Текст лекций. СПб.: СПбГТИ., 1992.- 63 с.

13. Гусаров В.В., Малков А.А., Малыгин А.А. и др. Влияние фазовой и технологическойпредыстории на эволюцию системы AlO1.5-TiO2.// Журн. прикл. химии.- 1993.- Т. 66, № 6.- С.1234-1241.

14. Артемьев Ю.М., Рябчук В.К. Введение в гетерогенный фотокатализ.– СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 1999.- 304 с.



Средний балл: 9.8 (голосов 20)

 


Комментарии
katenok5, 24 апреля 2008 02:00 
Несколько стилистически смущает вот этот фрагмент:

Титаноксидные наносистемы, полученные методом МН, находят очень широкое применение в современном материаловедениии и альтернативной энергетики благодаря возможности управления свойствами системы.


Таким образом, наносистемы, полученные методом МН, находят очень широкое применение в современном материаловедении благодаря возможности управления свойствами системы.



Но в целом здорово!
Да, вы правы:)))на будущее учтём!!!
Палии Наталия, 25 апреля 2008 16:08 
Интересная статья. Фотокаталитические процессы пытаются использовать и для очистки тканей (с добавлением наночастиц TiO2) Cleaning fabrics with light
Очень хорошая статья!
ТiO2 - исключительный материал!

Подправьте, пожалуйста немного реакции:

NO + 1/2 O2°- -> NO2

NO2 + 1/2 O2°- -> NO3

Там заряд не сбалансирован.
(нужно умножить обе эти реакции на два, и один продукт должен стать радикалом, а другой ионом в обоих случаях, к примеру NO2° и NO2- в первой реакции)

Воронцов Александр, 28 апреля 2008 07:27 
Хорошая статья. Жаль только, что автор не знаком с работами ведущих специалистов России по фотокатализу на диоксиде титана, в частности школы академика Пармона. А ведь фотокатализ на наноразмерном TiO2 уже нашел практическое применение не только за рубежом, но и в России: на протяжении ряда лет промышленно выпускаются приборы - очистители воздуха от органических, неорганических веществ и болезнетворных микроорганизмов.
Приносим свои извинения! К сожалению, опубликованные материалы нельзя редактировать
Сыровато, но в целом хорошая статья!

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Нанолента для нанокосы
Нанолента для нанокосы

MAPPIC 2019. Первый день
14 октября 2019 года успешно открылась I Московская осенняя международная конференция по перовскитной фотовольтаике (Moscow Autumn Perovskite Photovoltaics International Conference – MAPPIC-2019). В сообщении приведены темы докладов и небольшой фоторепортаж.

В Москве начинается MAPPIC - 2019
14-15 октября 2019 года состоится I Московская осенняя международная конференция по перовскитной фотовольтаике (Moscow Autumn Perovskite Photovoltaics International Conference – MAPPIC-2019)

РИА Новости: Нобелевскую премию по химии присудили за разработку литий-ионных батарей
РИА Новости: Джон Гуденаф, Стенли Уиттингхем и Акира Йошино стали лауреатами Нобелевской премии в области химии за 2019 год за разработку литий-ионных батарей.

Лекция про Дмитрия Ивановича и Наномир на Фестивале науки
Е.А.Гудилин и др., Фестиваль науки
В дни Фестиваля науки «NAUKA 0+» на Химическом факультете МГУ ведущие ученые познакомили слушателей с самыми современными достижениями химии. Ниже приводится небольшой фоторепортаж 1 дня и расписание лекций.

Как правильно заряжать аккумулятор?
Д. М. Иткис
Химик Даниил Иткис о том, как правильно заряжать аккумуляторы гаджетов и почему телефон выключается на холоде

Постлитийионные аккумуляторы
В. А. Кривченко
Физик Виктор Кривченко о перспективных видах аккумуляторов, фундаментальных проблемах в производстве литий-серных источников тока и преимуществах постлитийионных аккумуляторов

Технонано

Технопредпринимательство - идея, которая принесет свои плоды при бережном культивировании и взращивании. И наша наноолимпиада, и Наноград от Школьной Лиги РОСНАНО, и проект Стемфорд, и другие замечательные инициативы - важные шаги на пути реализации этой и других идей, связанных с развитием новых высоких технологий в нашей стране и привлечением молодых талантов в эту вполне стратегическую область. Ниже приведен небольшой опрос, который позволит и нам, и вам понять, а что все же значит этот модный термин, и какова его суть.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.