المشاهدات: 0 المؤلف: محرر الموقع النشر الوقت: 2025-02-02 الأصل: موقع
ثاني أكسيد التيتانيوم (TIO₂) عبارة عن مواد مدروسة ومستخدمة على نطاق واسع مع تطبيقات متنوعة في مختلف المجالات مثل التحفيز الضوئي والخلايا الشمسية والأصباغ ومستحضرات التجميل. أحد الجوانب الحاسمة التي تؤثر بشكل كبير على أدائها وخصائصها هو التشكل. يشير مورفولوجيا Tio₂ إلى شكلها وحجمها وبنيتها على مستويات النانو والمجهر. إن فهم كيفية تأثير التشكلات المختلفة على خصائصها له أهمية كبيرة لتحسين تطبيقاتها وتطوير مواد جديدة ومحسّنة بناءً على TiO₂.
ثاني أكسيد التيتانيوم هو مركب أبيض غير عضوي يحدث بشكل طبيعي في العديد من المعادن ، بما في ذلك الروتيل والأناتاز وبروكيت. لديها مؤشر الانكسار العالي ، والاستقرار الكيميائي الممتاز ، وقدرات امتصاص الأشعة فوق البنفسجية القوية. هذه الخصائص تجعلها خيارًا شائعًا للعديد من التطبيقات الصناعية. على سبيل المثال ، في صناعة الطلاء والطلاء ، يتم استخدام TiO₂ كصباغ لتوفير البياض والتعتيم للمنتجات. في صناعة مستحضرات التجميل ، يتم استخدامه في واقيات الشمس لحماية الجلد من الأشعة فوق البنفسجية الضارة.
يتضمن إنتاج TiO₂ على نطاق صناعي عمليتين عمليتين: عملية الكبريتات وعملية كلوريد. عملية الكبريتات هي طريقة أقدم تستخدم حمض الكبريتيك لعلاج الخامات التي تحتوي على التيتانيوم ، في حين أن عملية كلوريد هي نهج أكثر حداثة وصديقة للبيئة يستخدم غاز الكلور لتحويل خامات التيتانيوم إلى tio₂. بغض النظر عن طريقة الإنتاج ، يمكن أن يكون لـ TiO₂ الناتج تشكلات مختلفة حسب ظروف التفاعل وخطوات المعالجة اللاحقة.
هناك العديد من المورفولوجيا الشائعة من TiO₂ التي تمت دراستها على نطاق واسع. واحدة من الأكثر شهرة هو التشكل الكروي. يمكن تصنيع الجسيمات النانوية الكروية من خلال طرق مختلفة مثل تخليق SOL-GEL. عادةً ما يكون لهذه الجسيمات الكروية توزيع حجم موحد نسبيًا ويمكن أن تتراوح قطرها من عدد قليل من المقاييس النانوية إلى عدة مئات من النانومتر. على سبيل المثال ، في بعض الدراسات البحثية ، تم إعداد الجسيمات النانوية الكروية التي يبلغ قطرها حوالي 20 - 50 نانومترًا وتمييزها بنجاح.
المورفولوجيا المهمة الأخرى هي التشكل على شكل قضيب أو نانورود. يمكن زراعة نانورود من TiO₂ باستخدام تقنيات مثل التوليف الحراري المائي. يمكن التحكم في طول ونسبة العرض إلى الارتفاع من النانورود عن طريق ضبط معلمات التفاعل. على سبيل المثال ، عن طريق تغيير درجة حرارة التفاعل ، ووقت التفاعل ، وتركيز السلائف ، يمكن الحصول على نانورود بأطوال مختلفة ونسب العرضية. أبلغت بعض الدراسات عن توليف Tio₂ nanorods بأطوال تتراوح من عدة مئات من أجهزة النانو إلى عدة ميكرومتر ونسب الأمربي تتراوح من 5: 1 إلى 20: 1.
تشبه الورقة أو مورفولوجيا الصفائح الدموية من TiO₂ هي أيضا ذات أهمية كبيرة. يمكن تشكيل هذه من خلال تفاعلات كيميائية محددة أو طرق توليف بمساعدة القالب. غالبًا ما يكون للهياكل TiO₂ الصفائح الدموية مساحة سطح كبيرة إلى حجم ، والتي يمكن أن تكون مفيدة لتطبيقات معينة مثل التحفيز الضوئي. في بعض الحالات ، يمكن أن يكون سمك الصفائح الدموية رقيقة مثل عدد قليل من النانومتر ، في حين أن الأبعاد الجانبية يمكن أن تكون في نطاق الميكرومتر.
بالإضافة إلى ما سبق ، هناك أيضًا أشكال أكثر تعقيدًا مثل الهياكل الهرمية. تجمع هياكل TiO₂ الهرمية بين التشكلات الأساسية المختلفة ، على سبيل المثال ، قد تتكون الهيكل من النانووروود التي يتم تجميعها على سطح الجسيمات الكروية. يمكن أن توفر هذه الهياكل الهرمية خصائص فريدة بسبب بنياتها المعقدة. يمكنهم توفير إمكانات مبعثرة للضوء والامتصاص ، وكذلك خصائص النقل الجماعي المحسّن مقارنةً بالمورفولوجيا البسيطة.
الخصائص البصرية لـ TiO₂ ذات أهمية كبيرة ، خاصة في التطبيقات المتعلقة بامتصاص الضوء والتشتت مثل الخلايا الشمسية والتحفيز الضوئي. يكون لمورفولوجيا TiO₂ تأثير عميق على خصائصه البصرية.
بالنسبة للجسيمات النانوية الكروية ، يؤدي حجمها الصغير إلى تأثيرات الحبس الكمومي ، والتي يمكن أن تسبب تحولًا أزرق في طيف الامتصاص مقارنةً بـ TiO₂ السائبة. هذا يعني أن الجسيمات النانوية تمتص الضوء بأطوال موجية أقصر من المادة السائبة. تعتمد درجة التحول الأزرق على حجم الجسيمات النانوية. على سبيل المثال ، مع انخفاض قطر الجسيمات النانوية الكروية من 50 نانومتر إلى 20 نانومتر ، قد تتحول ذروة الامتصاص نحو المنطقة الزرقاء من الطيف. يمكن استخدام هذه الخاصية في التطبيقات التي تكون هناك حاجة إلى أطوال موجية امتصاص محددة ، كما هو الحال في بعض أنواع الخلايا الشمسية الحساسة للصبغة حيث يجب مطابقة امتصاص الجسيمات النانوية TiO₂ مع امتصاص جزيئات الصبغة.
من ناحية أخرى ، لها خصائص بصرية متباين الخواص بسبب شكلها المطول. يختلف امتصاص وتناثر الضوء على طول المحور الطويل من النانورودات عن تلك على طول المحور القصير. يمكن استغلال هذا التباين في تطبيقات مثل الكشف عن الضوء المستقطب. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤثر نسبة العرض إلى الارتفاع من النانورود على كفاءة امتصاص الضوء. تتوفر نانورود نانوروود أعلى بشكل عام مساحة أكبر متاحة لامتصاص الضوء ، والتي يمكن أن تعزز نشاط التحفيز الضوئي في التطبيقات التي يكون فيها امتصاص الضوء عاملًا محددًا. على سبيل المثال ، في دراسة تقارن بين النانورود Tio₂ مع نسب عرضية مختلفة لتدهور التحفيز الضوئي للملوثات العضوية ، تبين أن النانورود مع نسبة العرض إلى الارتفاع 10: 1 أظهرت معدل تحلل أعلى بكثير من تلك التي لديها نسبة عرضية أقل.
تحتوي هياكل TiO₂ الشبيهة بالورقة على نسبة سطح كبيرة إلى حجم ، مما يؤدي إلى تعزيز امتصاص الضوء. يمكن للأسطح المسطحة والممتدة للألواح التقاط الضوء وامتصاصها بشكل فعال ، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي يكون امتصاص الضوء الفعال أمرًا بالغ الأهمية ، كما هو الحال في بعض المفاعلات التحفيزية الضوئية المتقدمة. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤثر اتجاه الأوراق أيضًا على أنماط امتصاص الضوء وتناثر. إذا تم ترتيب الأوراق في اتجاه معين ، فقد يؤدي ذلك إلى تشتت الضوء الاتجاهي ، والذي يمكن أن يكون مفيدًا لبعض التطبيقات البصرية.
تجمع هياكل Tio₂ الهرمية بين مزايا التشكل الأساسي المختلفة من حيث الخواص البصرية. يمكن أن توفر المكونات الكروية نثرًا جيدًا للضوء ، في حين أن النانورود أو الأوراق المرتبطة بها يمكن أن تعزز امتصاص الضوء. يمكن أن يؤدي هذا المزيج إلى تحسن عام في الأداء البصري للمادة. على سبيل المثال ، في دراسة لهياكل TiO₂ الهرمية لتطبيقات الخلايا الشمسية ، وجد أن الهيكل الهرمي أظهر كفاءة تحويل الطاقة أعلى من التشكل الكروي أو النانوروود البسيط وحده ، بسبب امتصاصه المعزز للضوء وقدرات الانتثار.
يعد التحفيز الضوئي أحد أهم تطبيقات TiO₂ ، حيث يتم استخدامه لتخفيض الملوثات العضوية ، وتعقيم الماء ، وتوليد الهيدروجين من خلال تقسيم الماء. يلعب مورفولوجيا TiO₂ دورًا مهمًا في تحديد أدائها المحفز الضوئي.
تحتوي الجسيمات النانوية الكروية على مساحة سطح كبيرة نسبيًا إلى حجم ، وهو مفيد لتحفيز الضوئي لأنه يوفر مواقع أكثر نشاطًا لامتصاص وتفاعل الملوثات. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي حجمها الصغير أيضًا إلى إعادة التركيب السريع لأزواج فتحة الإلكترون ، مما يقلل من كفاءة التحفيز الضوئي. للتغلب على هذه المشكلة ، تم استخدام استراتيجيات مختلفة مثل تعاطي المنشطات مع عناصر أخرى أو اقتران مع أشباه الموصلات الأخرى. على سبيل المثال ، عندما يتم تعزيز الجسيمات النانوية الكروية مع النيتروجين ، يتم تثبيط إعادة تركيب أزواج ثقب الإلكترون ، ويتم تعزيز نشاط التحفيز الضوئي لتدهور الملوثات العضوية بشكل كبير.
توفر النانورود من TiO₂ العديد من المزايا في التحفيز الضوئي. يوفر شكلها المطول مسارًا مباشرًا لترحيل أزواج فتحة الإلكترون ، مما يقلل من معدل إعادة التركيب. توفر مساحة السطح الكبيرة على طول طول النانورود أيضًا مواقع أكثر نشاطًا للتفاعل. في دراسة حول تدهور التحفيز الضوئي للميثيلين الأزرق ، أظهرت Tio₂ nanorods بطول 500 نانومتر ونسبة العرض إلى الارتفاع 10: 1 معدل تدهور أعلى بكثير من الجسيمات النانوية الكروية من نفس الحجم. وذلك لأن النانورود كانت قادرة على فصل أزواج ثقب الإلكترون بفعالية وتوفير مواقع أكثر نشاطًا للتفاعل.
هياكل TiO₂ التي تشبه الورقة لها مساحة كبيرة إلى حجم الحجم ، على غرار الجسيمات النانوية الكروية. ومع ذلك ، فإن أسطحها المسطحة والممتدة يمكن أن تسهل امتصاص الملوثات بشكل أكثر فعالية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يؤثر اتجاه الأوراق على النقل الجماعي للمواد المتفاعلة والمنتجات أثناء عملية التحفيز الضوئي. على سبيل المثال ، إذا تم ترتيب الأوراق في اتجاه مواز ، فيمكنها تحسين النقل الجماعي للملوثات نحو المواقع النشطة على الأوراق ، وبالتالي تعزيز كفاءة التحفيز الضوئي.
تجمع هياكل Tio₂ الهرمية بين مزايا التشكلات المختلفة في التحفيز الضوئي. يمكن أن توفر المكونات الكروية امتصاصًا جيدًا للملوثات ، في حين أن النانوورات أو الصفائح المرتبطة بها يمكن أن تعزز فصل أزواج فتحة الإلكترون وتوفير مواقع أكثر نشاطًا للتفاعل. في دراسة لهياكل Tio₂ الهرمية للتدهور الضوئي للفينول ، تبين أن الهيكل الهرمي أظهر معدل تحلل أعلى بكثير من التشكل الكروي الفردي أو النانوروود ، بسبب مزاياه المشتركة في الامتزاز ، وفصل أزواج الأزواج الإلكترونية ، وتوفير المواقع النشطة.
الخصائص الكهربائية لـ TIO₂ مهمة في التطبيقات مثل الخلايا الشمسية والأجهزة الإلكترونية. يمكن أن يكون لمورفولوجيا TiO₂ تأثير كبير على خصائصه الكهربائية.
بالنسبة للجسيمات النانوية الكروية ، يمكن أن يؤدي حجمها الصغير إلى نسبة ارتفاع مساحة السطح إلى الحجم ، والتي يمكن أن تؤثر على كثافة حاملة الشحن وتنقلها. في بعض الحالات ، قد تظهر الجسيمات النانوية مقاومة أعلى بسبب وجود عيوب السطح ومسار التوصيل المحدود داخل الجسيمات. ومع ذلك ، عندما يتم دمج هذه الجسيمات النانوية في مادة مركبة أو تستخدم في تكوين جهاز معين ، يمكن تعديل خصائصها الكهربائية. على سبيل المثال ، في مركب يعتمد على البوليمر مع الجسيمات النانوية الكروية ، يمكن أن تؤدي إضافة حشو موصل إلى تحسين الموصلية الكهربائية للمركب من خلال توفير مسار موصل حول الجسيمات النانوية.
النانورود من TiO₂ لها بنية كهربائية متباين الخواص بسبب شكلها المطول. يمكن أن تهاجر حاملات الشحن بسهولة أكبر على طول المحور الطويل للنيانورود من على طول المحور القصير. يمكن استغلال هذا التباين في التطبيقات مثل الترانزستورات ذات التأثير الميداني. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن تؤثر نسبة العرض إلى الارتفاع من النانورود على الموصلية الكهربائية. ارتفاع نسبة العرض إلى الارتفاع النانوية بشكل عام لها مقاومة أقل بسبب مسار التوصيل الأطول على طول المحور الطويل. على سبيل المثال ، في دراسة تقارن الموصلية الكهربائية لـ Tio₂ nanorods ذات نسب عرضية مختلفة ، وجد أن النانورود مع نسبة العرض إلى الارتفاع 15: 1 كان لها مقاومة أقل بكثير من تلك التي لديها نسبة عرض إلى ارتفاع أقل.
تحتوي هياكل TiO₂ التي تشبه الورقة على نسبة سطح كبيرة إلى حجم ، والتي يمكن أن تؤثر على تكوين الطبقة المزدوجة الكهربائية وسعة المادة. في بعض التطبيقات مثل المكثفات الفائقة ، يمكن استخدام مساحة السطح الكبيرة للألواح لتخزين الشحنة الكهربائية. يمكن أن يؤثر اتجاه الأوراق أيضًا على الخواص الكهربائية. إذا تم ترتيب الأوراق في اتجاه معين ، فقد يؤدي ذلك إلى تدفق الاتجاه للشحن ، والذي يمكن أن يكون مفيدًا لبعض التطبيقات الكهربائية.
تجمع هياكل Tio₂ الهرمية بين مزايا التشكلات المختلفة من حيث الخواص الكهربائية. يمكن أن توفر المكونات الكروية تخزينًا جيدًا للرسوم ، في حين أن النانورود أو الأوراق المرتبطة بها يمكن أن تعزز نقل الشحن. يمكن أن يؤدي هذا المزيج إلى تحسن عام في الأداء الكهربائي للمادة. على سبيل المثال ، في دراسة لهياكل TiO₂ الهرمية لتطبيقات المكثفات الفائقة ، تبين أن الهيكل الهرمي أظهرت سعة أعلى وخصائص شحن/تفريغ أفضل من التشكل الكروي أو النانوروود البسيط وحده ، بسبب تخزينها المعزز للرسوم والنقل.
يعد التحكم في مورفولوجيا TiO₂ ضروريًا للحصول على الخصائص والتطبيقات المطلوبة. هناك العديد من طرق التوليف المتاحة لإعداد TiO₂ مع التشكلات المختلفة.
Sol-Gel Synthesis هو طريقة شائعة الاستخدام لإعداد الجسيمات النانوية Tio₂ الكروية. في هذه الطريقة ، يتم إذابة سلائف ألكوكسيد التيتانيوم في مذيب ثم تحلل وتكثيف لتشكيل هلام. ثم يتم تجفيف الهلام ومكلسة للحصول على الجسيمات النانوية النهائية. عن طريق ضبط ظروف التفاعل مثل تركيز السلائف ، ودرجة حرارة التفاعل ، ووقت التفاعل ، يمكن التحكم في حجم وحجم الجسيمات النانوية الكروية. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي زيادة تركيز السلائف إلى جسيمات نانوية كروية أكبر ، في حين يمكن أن يؤدي تقليل درجة حرارة التفاعل إلى جسيمات متناهية الصغر أصغر مع توزيع حجم أضيق.
يستخدم التوليف الحراري المائي على نطاق واسع لزراعة النانوروودات Tio₂. في هذه الطريقة ، يتم وضع مصدر من التيتانيوم ومذيب مناسب في أوتوكيلف مغلق ويتم تسخينه إلى درجة حرارة وضغط محددين لفترة زمنية معينة. تحدد ظروف التفاعل مثل درجة الحرارة والضغط وتركيز السلائف طول ونسبة العرض إلى الارتفاع في النانورود. على سبيل المثال ، يمكن أن تؤدي زيادة درجة حرارة التفاعل إلى نانورود أطول مع نسبة ارتفاع أعلى ، في حين يمكن أن يؤدي تقليل وقت التفاعل إلى أقصر نانورود مع نسبة عرض إلى ارتفاع أقل.
التوليف بمساعدة القالب هو طريقة مفيدة لإعداد هياكل TiO₂ تشبه الصفائح الدموية. في هذه الطريقة ، يتم استخدام مادة القالب مثل البوليمر أو السطحي لتوجيه تكوين بنية TiO₂. يوفر القالب قيودًا وحجمًا لـ TIO₂ ، مما يسمح بتكوين صفائح بسمك معين وأبعاد جانبية. على سبيل المثال ، باستخدام قالب البوليمر ، يمكن الحصول على هياكل TiO₂ تشبه الورقة بسمك حوالي 5 نانومترات وأبعاد جانبية في نطاق الميكرومتر.
بالإضافة إلى الطرق المذكورة أعلاه ، هناك أيضًا تقنيات أخرى مثل ترسيب البخار الكيميائي (CVD) و electrospinning التي يمكن استخدامها لإعداد TiO₂ مع أشكال مختلفة. يمكن استخدام الأمراض القلبية الوعائية لإيداع أفلام TiO₂ ذات أشكال مورفولوجيا محددة على الركيزة ، في حين يمكن استخدام electrospinning لإنتاج الألياف النانوية من TiO₂. توفر هذه الطرق خيارات إضافية للسيطرة على مورفولوجيا TiO₂ وتوسيع تطبيقاتها.
على الرغم من أنه تم إحراز تقدم كبير في فهم العلاقة بين مورفولوجيا TiO₂ وخصائصها ، لا يزال هناك العديد من التحديات التي يجب مواجهة.
أحد التحديات الرئيسية هو السيطرة الدقيقة على التشكل. في حين أن طرق التوليف الحالية يمكن أن تنتج TiO₂ مع أشكال مختلفة ، فغالبًا ما يكون من الصعب تحقيق درجة عالية من الدقة في التحكم في حجم المواد وشكلها وهيكلها. على سبيل المثال ، في توليف Tio₂ nanorods ، من الصعب الحصول على النانورود بنفس طول طول الطول والتعبير في إنتاج واسع النطاق. يمكن أن يؤثر هذا الافتقار إلى الدقة على استنساخ خصائص المادة والحد من تطبيقاتها في بعض الحقول عالية الدقة مثل الإلكترونيات الدقيقة.
التحدي الآخر هو استقرار التشكل في ظل ظروف بيئية مختلفة. غالبًا ما تستخدم مواد TiO₂ في التطبيقات المختلفة حيث قد تتعرض لعوامل بيئية مختلفة مثل درجة الحرارة والرطوبة والمواد الكيميائية. قد يتغير مورفولوجيا المادة في ظل هذه الظروف ، والتي يمكن أن تؤدي إلى تغيير في خصائصها. على سبيل المثال ، في بعض تطبيقات التحفيز الضوئي ، قد تجمع الجسيمات النانوية TiO₂ الشكل أو تغييره بمرور الوقت ، مما يقلل من كفاءة التحفيز الضوئي. لذلك ، من الضروري تطوير استراتيجيات للحفاظ على استقرار مورفولوجيا TiO₂ في ظل ظروف بيئية مختلفة.
فيما يتعلق بالاتجاهات المستقبلية ، هناك العديد من المجالات التي تعود بوعود كبيرة. أحد المجالات هو تطوير أساليب التوليف الجديدة التي يمكن أن توفر التحكم الأكثر دقة في مورفولوجيا TiO₂. على سبيل المثال ، يمكن استكشاف تقنيات التكنولوجيا النانوية المتقدمة مثل ترسب الطبقة الذرية (ALD) لتحقيق تحكم أكثر دقة في حجم وشكل TiO₂. مجال آخر هو دراسة التفاعل بين التشكلات المختلفة لـ TiO₂ والمواد الأخرى. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي فهم كيفية تفاعل هياكل TiO₂ الهرمية مع البوليمرات أو غيرها من أشباه الموصلات إلى تطوير مواد مركبة جديدة ذات خصائص محسّنة. بالإضافة إلى ذلك ، هناك حاجة إلى مزيد من البحث حول الاستقرار طويل الأجل لمورفولوجيا TiO₂ في ظل ظروف بيئية مختلفة لضمان تطبيقه الموثوق في مختلف المجالات.
في الختام ، يكون لمورفولوجيا ثاني أكسيد التيتانيوم تأثير عميق على خصائصه المختلفة بما في ذلك الخواص الضوئية والضوئية والكهربائية. مورفولوجيا مختلفة مثل
