Προβολές: 0 Συγγραφέας: Επεξεργαστής τοποθεσίας Χρόνος δημοσίευσης: 2025-02-02 Προέλευση: Τοποθεσία
Το διοξείδιο του τιτανίου (Tio₂) είναι ένα ευρέως μελετημένο και χρησιμοποιημένο υλικό με διαφορετικές εφαρμογές σε διάφορους τομείς όπως η φωτοκαταλύση, τα ηλιακά κύτταρα, οι χρωστικές και τα καλλυντικά. Μία από τις κρίσιμες πτυχές που επηρεάζουν σημαντικά την απόδοση και τις ιδιότητές του είναι η μορφολογία της. Η μορφολογία του Tio₂ αναφέρεται στο σχήμα, το μέγεθος και τη δομή του στα επίπεδα νανοκλίμακας και μικροσκοπικής κλίμακας. Η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι διαφορετικές μορφολογίες επηρεάζουν τις ιδιότητές του έχει μεγάλη σημασία για τη βελτιστοποίηση των εφαρμογών της και την ανάπτυξη νέων και βελτιωμένων υλικών που βασίζονται στο Tio₂.
Το διοξείδιο του τιτανίου είναι μια λευκή, ανόργανη ένωση που εμφανίζεται φυσικά σε διάφορα ορυκτά, συμπεριλαμβανομένου του ρουτίλου, της ανατάσης και του Brookite. Έχει υψηλό δείκτη διάθλασης, εξαιρετική χημική σταθερότητα και ισχυρές δυνατότητες απορρόφησης UV. Αυτές οι ιδιότητες το καθιστούν μια δημοφιλής επιλογή για πολλές βιομηχανικές εφαρμογές. Για παράδειγμα, στη βιομηχανία βαφής και επίστρωσης, το Tio₂ χρησιμοποιείται ως χρωστική για την παροχή λευκότητας και αδιαφάνειας στα προϊόντα. Στη βιομηχανία καλλυντικών, χρησιμοποιείται σε αντηλιακά για την προστασία του δέρματος από την επιβλαβή ακτινοβολία υπεριώδους ακτινοβολίας.
Η παραγωγή του Tio₂ σε βιομηχανική κλίμακα περιλαμβάνει κυρίως δύο διαδικασίες: τη διαδικασία θειικού και τη διαδικασία χλωριούχου. Η διαδικασία θειικού άλατος είναι μια παλαιότερη μέθοδος που χρησιμοποιεί θειικό οξύ για τη θεραπεία μεταλλεύματος που περιέχουν τιτανίου, ενώ η διαδικασία χλωριούχου είναι μια πιο σύγχρονη και φιλική προς το περιβάλλον προσέγγιση που χρησιμοποιεί αέριο χλωρίου για τη μετατροπή μεταλλεύματος τιτανίου σε TiO₂. Ανεξάρτητα από τη μέθοδο παραγωγής, η προκύπτουσα Tio₂ μπορεί να έχει διαφορετικές μορφολογίες ανάλογα με τις συνθήκες αντίδρασης και τα επακόλουθα βήματα επεξεργασίας.
Υπάρχουν αρκετές κοινές μορφολογίες του Tio₂ που έχουν μελετηθεί εκτενώς. Ένα από τα πιο γνωστά είναι η σφαιρική μορφολογία. Τα σφαιρικά νανοσωματίδια Tio₂ μπορούν να συντεθούν μέσω διαφόρων μεθόδων όπως η σύνθεση Sol-Gel. Αυτά τα σφαιρικά σωματίδια έχουν τυπικά μια σχετικά ομοιόμορφη κατανομή μεγέθους και μπορούν να κυμαίνονται σε διάμετρο από μερικά νανόμετρα σε αρκετές εκατοντάδες νανομέτρων. Για παράδειγμα, σε μερικές ερευνητικές μελέτες, τα σφαιρικά νανοσωματίδια Tio₂ με μέση διάμετρο περίπου 20 - 50 νανόμετρων έχουν προετοιμαστεί και χαρακτηριστούν με επιτυχία.
Μια άλλη σημαντική μορφολογία είναι η μορφολογία σε σχήμα ράβδου ή νανοσωλήνας. Τα νανοσωλήνες του Tio₂ μπορούν να καλλιεργηθούν χρησιμοποιώντας τεχνικές όπως η υδροθερμική σύνθεση. Ο λόγος μήκους και διαστάσεων των νανοσωματιδίων μπορεί να ελεγχθεί ρυθμίζοντας τις παραμέτρους αντίδρασης. Για παράδειγμα, αλλάζοντας τη θερμοκρασία αντίδρασης, τον χρόνο αντίδρασης και τη συγκέντρωση των προδρόμων, μπορούν να ληφθούν νανοσωλήνες με διαφορετικά μήκη και αναλογίες διαστάσεων. Ορισμένες μελέτες έχουν αναφέρει τη σύνθεση των νανοσωματιδίων Tio₂ με μήκη που κυμαίνονται από αρκετές εκατοντάδες νανόμετρα σε διάφορα μικρομέτρια και αναλογίες διαστάσεων που κυμαίνονται από 5: 1 έως 20: 1.
Οι μορφολογίες των φύλλων ή των αιμοπεταλίων του Tio₂ έχουν επίσης μεγάλο ενδιαφέρον. Αυτά μπορούν να σχηματίζονται μέσω συγκεκριμένων χημικών αντιδράσεων ή μεθόδων σύνθεσης με τη βοήθεια προτύπου. Οι δομές αιμοπεταλίων έχουν συχνά μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς όγκο, η οποία μπορεί να είναι ευεργετική για ορισμένες εφαρμογές όπως η φωτοκαταλύση. Σε ορισμένες περιπτώσεις, το πάχος των αιμοπεταλίων μπορεί να είναι τόσο λεπτό όσο μερικά νανόμετρα, ενώ οι πλευρικές διαστάσεις μπορούν να βρίσκονται στο εύρος μικρομέτρου.
Εκτός από τα παραπάνω, υπάρχουν επίσης πιο πολύπλοκες μορφολογίες όπως οι ιεραρχικές δομές. Οι ιεραρχικές δομές Tio₂ συνδυάζουν διαφορετικές βασικές μορφολογίες, για παράδειγμα, μια δομή μπορεί να αποτελείται από νανοσωλήνες που συναρμολογούνται στην επιφάνεια των σφαιρικών σωματιδίων. Αυτές οι ιεραρχικές δομές μπορούν να προσφέρουν μοναδικές ιδιότητες λόγω των σύνθετων αρχιτεκτονικών τους. Μπορούν να παρέχουν βελτιωμένες δυνατότητες σκέδασης και απορρόφησης φωτός, καθώς και βελτιωμένες ιδιότητες μεταφοράς μάζας σε σύγκριση με τις απλές μορφολογίες.
Οι οπτικές ιδιότητες του Tio₂ έχουν μεγάλη σημασία, ειδικά σε εφαρμογές που σχετίζονται με την απορρόφηση φωτός και τη σκέδαση όπως τα ηλιακά κύτταρα και η φωτοκαταλύση. Η μορφολογία του Tio₂ έχει βαθιές επιπτώσεις στις οπτικές του ιδιότητες.
Για τα σφαιρικά νανοσωματίδια Tio₂, το μικρό τους μέγεθος οδηγεί σε αποτελέσματα κβαντικού περιορισμού, γεγονός που μπορεί να προκαλέσει μπλε μετατόπιση στο φάσμα απορρόφησης σε σύγκριση με το χύδην Tio₂. Αυτό σημαίνει ότι τα νανοσωματίδια απορροφούν το φως σε μικρότερα μήκη κύματος από το χύδην υλικό. Ο βαθμός της μπλε μετατόπισης εξαρτάται από το μέγεθος των νανοσωματιδίων. Για παράδειγμα, καθώς η διάμετρος των σφαιρικών νανοσωματιδίων μειώνεται από 50 νανόμετρα σε 20 νανόμετρα, η κορυφή απορρόφησης μπορεί να μετατοπιστεί περαιτέρω προς την μπλε περιοχή του φάσματος. Αυτή η ιδιότητα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εφαρμογές όπου απαιτούνται ειδικά μήκη κύματος απορρόφησης, όπως σε ορισμένους τύπους ηλιακών κυττάρων ευαισθητοποιημένων χρωμάτων όπου η απορρόφηση των νανοσωματιδίων Tio₂ πρέπει να ταιριάζει με την απορρόφηση των μορίων χρωστικής.
Τα νανοσωλήνες του Tio₂, από την άλλη πλευρά, έχουν ανισότροπες οπτικές ιδιότητες λόγω του επιμήκους σχήματος τους. Η απορρόφηση και η διασπορά του φωτός κατά μήκος του μακρού άξονα των νανοσωματιδίων είναι διαφορετικές από αυτές κατά μήκος του βραχείου άξονα. Αυτή η ανισοτροπία μπορεί να αξιοποιηθεί σε εφαρμογές όπως η ανίχνευση πολωμένου φωτός. Επιπλέον, ο λόγος διαστάσεων των νανοσωματιδίων μπορεί να επηρεάσει την αποτελεσματικότητα της απορρόφησης του φωτός. Τα νανοσωλήνες υψηλότερης αναλογίας διαστάσεων διαθέτουν γενικά μεγαλύτερη επιφάνεια επιφάνειας για απορρόφηση φωτός, η οποία μπορεί να ενισχύσει τη φωτοκαταλυτική δραστικότητα σε εφαρμογές όπου η απορρόφηση φωτός είναι ένας περιοριστικός παράγοντας. Για παράδειγμα, σε μια μελέτη που συγκρίνει τα νανοσωλήνες Tio₂ με διαφορετικές αναλογίες διαστάσεων για φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση οργανικών ρύπων, διαπιστώθηκε ότι τα νανοσωλήνες με αναλογία διαστάσεων 10: 1 έδειξαν σημαντικά υψηλότερο ποσοστό υποβάθμισης από εκείνες με χαμηλότερη αναλογία διαστάσεων.
Οι δομές Tio₂ που μοιάζουν με φύλλα έχουν μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς όγκο, με αποτέλεσμα την ενισχυμένη απορρόφηση φωτός. Οι επίπεδες και εκτεταμένες επιφάνειες των φύλλων μπορούν να καταγράψουν και να απορροφήσουν αποτελεσματικά το φως, καθιστώντας τις κατάλληλες για εφαρμογές όπου η αποτελεσματική απορρόφηση φωτός είναι κρίσιμη, όπως σε ορισμένους προχωρημένους φωτοκαταλυτικούς αντιδραστήρες. Επιπλέον, ο προσανατολισμός των φύλλων μπορεί επίσης να επηρεάσει τα μοτίβα απορρόφησης και σκέδασης φωτός. Εάν τα φύλλα είναι διατεταγμένα σε έναν συγκεκριμένο προσανατολισμό, μπορεί να οδηγήσει σε διασκορπισμό κατευθυντικού φωτός, η οποία μπορεί να είναι επωφελής για ορισμένες οπτικές εφαρμογές.
Οι ιεραρχικές δομές Tio₂ συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα διαφορετικών βασικών μορφολογιών όσον αφορά τις οπτικές ιδιότητες. Τα σφαιρικά συστατικά μπορούν να παρέχουν καλή σκέδαση φωτός, ενώ τα νανοσωλήνες ή τα φύλλα που συνδέονται με αυτά μπορούν να ενισχύσουν την απορρόφηση φωτός. Αυτός ο συνδυασμός μπορεί να οδηγήσει σε συνολική βελτίωση στην οπτική απόδοση του υλικού. Για παράδειγμα, σε μια μελέτη ιεραρχικών δομών Tio₂ για εφαρμογές ηλιακών κυττάρων, διαπιστώθηκε ότι η ιεραρχική δομή εμφάνισε υψηλότερη απόδοση μετατροπής ισχύος από τις απλές σφαιρικές ή νανοσωματικές μορφολογίες μόνο, λόγω της ενισχυμένης δυνατότητας απορρόφησης φωτός και διάσπασης.
Η φωτοκαταλύση είναι μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές του Tio₂, όπου χρησιμοποιείται για την υποβάθμιση των οργανικών ρύπων, την αποστειρώνει το νερό και τη δημιουργία υδρογόνου μέσω του διαχωρισμού του νερού. Η μορφολογία του Tio₂ διαδραματίζει καθοριστικό ρόλο στον προσδιορισμό της φωτοκαταλυτικής απόδοσής του.
Τα σφαιρικά νανοσωματίδια Tio₂ έχουν σχετικά μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς όγκο, η οποία είναι ευεργετική για τη φωτοκατάλυση, καθώς παρέχει πιο ενεργές θέσεις για την προσρόφηση και την αντίδραση των ρύπων. Ωστόσο, το μικρό τους μέγεθος μπορεί επίσης να οδηγήσει σε ταχέως ανασυνδυασμό των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών, γεγονός που μειώνει την φωτοκαταλυτική απόδοση. Για να ξεπεραστούν αυτό το πρόβλημα, έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορες στρατηγικές όπως το ντόπινγκ με άλλα στοιχεία ή η σύζευξη με άλλους ημιαγωγούς. Για παράδειγμα, όταν τα σφαιρικά νανοσωματίδια Tio₂ είναι προσομοιωμένα με άζωτο, ο ανασυνδυασμός των ζεύγους ηλεκτρο-οπών αναστέλλεται και η φωτοκαταλυτική δράση για την αποικοδόμηση των οργανικών ρύπων ενισχύεται σημαντικά.
Τα νανοσωλήνες του Tio₂ προσφέρουν αρκετά πλεονεκτήματα στη φωτοκαταλύση. Το επιμηκυμένο σχήμα τους παρέχει μια άμεση διαδρομή για τη μετανάστευση ζευγών ηλεκτρονίων-οπών, μειώνοντας τον ρυθμό ανασυνδυασμού. Η μεγάλη επιφάνεια κατά μήκος των νανοσωματιδίων παρέχει επίσης πιο ενεργές θέσεις για την αντίδραση. Σε μια μελέτη σχετικά με τη φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση του μπλε μεθυλενίου, τα νανοσωλήνες Tio₂ με μήκος 500 νανομέτρων και αναλογία διαστάσεων 10: 1 έδειξαν πολύ υψηλότερο ποσοστό αποικοδόμησης από τα σφαιρικά νανοσωματίδια Tio₂ του ίδιου όγκου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα νανοσωλήνες ήταν σε θέση να διαχωρίσουν αποτελεσματικά τα ζεύγη ηλεκτρονίων και να παρέχουν πιο ενεργές θέσεις για την αντίδραση.
Οι δομές Tio₂ που μοιάζουν με φύλλα έχουν μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς όγκο, παρόμοια με τα σφαιρικά νανοσωματίδια. Ωστόσο, οι επίπεδες και εκτεταμένες επιφάνειές τους μπορούν να διευκολύνουν αποτελεσματικότερα την προσρόφηση των ρύπων. Επιπλέον, ο προσανατολισμός των φύλλων μπορεί να επηρεάσει τη μαζική μεταφορά αντιδραστηρίων και προϊόντων κατά τη διάρκεια της φωτοκαταλυτικής διαδικασίας. Για παράδειγμα, εάν τα φύλλα είναι διατεταγμένα σε παράλληλο προσανατολισμό, μπορεί να βελτιώσει τη μαζική μεταφορά ρύπων προς τις ενεργές θέσεις στα φύλλα, ενισχύοντας έτσι την φωτοκαταλυτική απόδοση.
Οι ιεραρχικές δομές Tio₂ συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα των διαφορετικών μορφολογιών στη φωτοκατατονία. Τα σφαιρικά συστατικά μπορούν να παρέχουν καλή προσρόφηση των ρύπων, ενώ τα νανοσωλήνες ή τα φύλλα που συνδέονται με αυτά μπορούν να ενισχύσουν τον διαχωρισμό των ζευγών των οπών ηλεκτρονίων και να παρέχουν πιο ενεργές θέσεις για την αντίδραση. Σε μια μελέτη των ιεραρχικών δομών Tio₂ για την φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση της φαινόλης, διαπιστώθηκε ότι η ιεραρχική δομή εμφάνισε πολύ υψηλότερο ποσοστό αποικοδόμησης από τις μεμονωμένες σφαιρικές ή νανοσωματικές μορφολογίες, λόγω των συνδυασμένων πλεονεκτημάτων της στην προσρόφηση, του διαχωρισμού των ζευγών ηλεκτρονικών οπών και της παροχής ενεργών θέσεων.
Οι ηλεκτρικές ιδιότητες του Tio₂ είναι σημαντικές σε εφαρμογές όπως τα ηλιακά κύτταρα και οι ηλεκτρονικές συσκευές. Η μορφολογία του Tio₂ μπορεί να έχει σημαντικό αντίκτυπο στις ηλεκτρικές του ιδιότητες.
Για τα σφαιρικά νανοσωματίδια Tio₂, το μικρό τους μέγεθος μπορεί να οδηγήσει σε αναλογία υψηλής επιφάνειας προς όγκο, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει την πυκνότητα του φορέα φορτίου και την κινητικότητα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, τα νανοσωματίδια μπορεί να εμφανίζουν υψηλότερη αντίσταση λόγω της παρουσίας επιφανειακών ελαττωμάτων και της περιορισμένης διαδρομής αγωγιμότητας εντός των σωματιδίων. Ωστόσο, όταν αυτά τα νανοσωματίδια ενσωματώνονται σε σύνθετο υλικό ή χρησιμοποιούνται σε μια συγκεκριμένη διαμόρφωση συσκευής, οι ηλεκτρικές ιδιότητές τους μπορούν να διαμορφωθούν. Για παράδειγμα, σε ένα σύνθετο με βάση το πολυμερές με σφαιρικά νανοσωματίδια Tio₂, η προσθήκη ενός αγώγιμου πληρωτικού μπορεί να βελτιώσει την ηλεκτρική αγωγιμότητα του σύνθετου, παρέχοντας ένα αγώγιμο μονοπάτι γύρω από τα νανοσωματίδια.
Τα νανοσωλήνες του Tio₂ έχουν μια ανισότροπη ηλεκτρική δομή λόγω του επιμήκους σχήματος τους. Οι φορείς φόρτισης μπορούν να μεταναστεύσουν πιο εύκολα κατά μήκος του μακρού άξονα των νανοσωματιδίων από ό, τι κατά μήκος του βραχυπρόθεσμου άξονα. Αυτή η ανισοτροπία μπορεί να αξιοποιηθεί σε εφαρμογές όπως τρανζίστορ πεδίου. Επιπλέον, ο λόγος διαστάσεων των νανοσωματιδίων μπορεί να επηρεάσει την ηλεκτρική αγωγιμότητα. Τα νανοσωλήνες υψηλότερης αναλογίας διαστάσεων έχουν γενικά χαμηλότερη αντίσταση λόγω της μεγαλύτερης διαδρομής αγωγιμότητας κατά μήκος του μακρού άξονα. Για παράδειγμα, σε μια μελέτη που συγκρίνει την ηλεκτρική αγωγιμότητα των νανοσωματιδίων Tio₂ με διαφορετικές αναλογίες διαστάσεων, διαπιστώθηκε ότι τα νανοσωλήνες με αναλογία διαστάσεων 15: 1 είχαν σημαντικά χαμηλότερη αντίσταση από εκείνες με χαμηλότερη αναλογία διαστάσεων.
Οι δομές Tio₂ που μοιάζουν με φύλλα έχουν μεγάλη αναλογία επιφάνειας προς όγκο, η οποία μπορεί να επηρεάσει τον ηλεκτρικό σχηματισμό διπλής στρώσης και την χωρητικότητα του υλικού. Σε ορισμένες εφαρμογές όπως οι υπερκαταναλωτές, η μεγάλη επιφάνεια των φύλλων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αποθήκευση ηλεκτρικού φορτίου. Ο προσανατολισμός των φύλλων μπορεί επίσης να επηρεάσει τις ηλεκτρικές ιδιότητες. Εάν τα φύλλα είναι διατεταγμένα σε έναν συγκεκριμένο προσανατολισμό, μπορεί να οδηγήσει σε μια κατευθυντική ροή φορτίου, η οποία μπορεί να είναι ευεργετική για ορισμένες ηλεκτρικές εφαρμογές.
Οι ιεραρχικές δομές Tio₂ συνδυάζουν τα πλεονεκτήματα διαφορετικών μορφολογιών όσον αφορά τις ηλεκτρικές ιδιότητες. Τα σφαιρικά εξαρτήματα μπορούν να παρέχουν καλή αποθήκευση φόρτισης, ενώ τα νανοσωλήνες ή τα φύλλα που συνδέονται με αυτά μπορούν να ενισχύσουν τη μεταφορά φορτίου. Αυτός ο συνδυασμός μπορεί να οδηγήσει σε συνολική βελτίωση στην ηλεκτρική απόδοση του υλικού. Για παράδειγμα, σε μια μελέτη ιεραρχικών δομών Tio₂ για εφαρμογές υπερκατασκευαστών, διαπιστώθηκε ότι η ιεραρχική δομή εμφάνισε υψηλότερη χωρητικότητα και καλύτερα χαρακτηριστικά φορτίου/εκφόρτισης από τις απλές σφαιρικές ή νανοσωματικές μορφολογίες μόνο, λόγω των βελτιωμένων δυνατοτήτων αποθήκευσης και μεταφοράς.
Ο έλεγχος της μορφολογίας του Tio₂ είναι απαραίτητος για την απόκτηση των επιθυμητών ιδιοτήτων και εφαρμογών. Υπάρχουν διάφορες μέθοδοι σύνθεσης για την παρασκευή Tio₂ με διαφορετικές μορφολογίες.
Η σύνθεση Sol-Gel είναι μια συνηθισμένη μέθοδος για την παρασκευή σφαιρικών νανοσωματιδίων Tio₂. Σε αυτή τη μέθοδο, οι πρόδρομοι αλκοξειδίου του τιτανίου διαλύονται σε έναν διαλύτη και στη συνέχεια υδρολύονται και συμπυκνώθηκαν για να σχηματίσουν ένα πήκτωμα. Το πήκτωμα στη συνέχεια ξηραίνεται και μεταβάλλεται για να ληφθεί τα τελικά νανοσωματίδια Tio₂. Ρυθμίζοντας τις συνθήκες αντίδρασης όπως η συγκέντρωση των προδρόμων, η θερμοκρασία της αντίδρασης και ο χρόνος αντίδρασης, η κατανομή μεγέθους και το μέγεθος των σφαιρικών νανοσωματιδίων μπορούν να ελεγχθούν. Για παράδειγμα, η αύξηση της συγκέντρωσης των προδρόμων μπορεί να οδηγήσει σε μεγαλύτερα σφαιρικά νανοσωματίδια, μειώνοντας ταυτόχρονα τη θερμοκρασία αντίδρασης μπορεί να οδηγήσει σε μικρότερα νανοσωματίδια με στενότερη κατανομή μεγέθους.
Η υδροθερμική σύνθεση χρησιμοποιείται ευρέως για την ανάπτυξη νανοσωλήνων Tio₂. Σε αυτή τη μέθοδο, μια πηγή τιτανίου και ένας κατάλληλος διαλύτης τοποθετούνται σε ένα σφραγισμένο αυτόκλειστο και θερμαίνονται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία και πίεση για ορισμένο χρονικό διάστημα. Οι συνθήκες αντίδρασης, όπως η θερμοκρασία, η πίεση και η συγκέντρωση των προδρόμων, καθορίζουν τη αναλογία μήκους και διαστάσεων των νανοσωματιδίων. Για παράδειγμα, η αύξηση της θερμοκρασίας αντίδρασης μπορεί να οδηγήσει σε μεγαλύτερα νανοσωλήνες με υψηλότερη αναλογία διαστάσεων, μειώνοντας ταυτόχρονα τον χρόνο αντίδρασης μπορεί να οδηγήσει σε μικρότερα νανοσωλήνες με χαμηλότερη αναλογία διαστάσεων.
Η σύνθεση με τη υποβοήθηση του προτύπου είναι μια χρήσιμη μέθοδος για την παρασκευή δομών Tio₂ όπως τα φύλλα ή τα αιμοπετάλια. Σε αυτή τη μέθοδο, ένα υλικό προτύπου όπως ένα πολυμερές ή ένα επιφανειοδραστικό χρησιμοποιείται για να καθοδηγήσει το σχηματισμό της δομής Tio₂. Το πρότυπο παρέχει περιορισμό σχήματος και μεγέθους για το Tio₂, επιτρέποντας τον σχηματισμό φύλλων με συγκεκριμένο πάχος και πλευρικές διαστάσεις. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας ένα πρότυπο πολυμερούς, δομές Tio₂ με φύλλα με πάχος περίπου 5 νανόμετρων και πλευρικών διαστάσεων στην περιοχή μικρομέτρου.
Εκτός από τις παραπάνω μεθόδους, υπάρχουν και άλλες τεχνικές όπως η εναπόθεση χημικών ατμών (CVD) και η ηλεκτροσυσσωμάτωση που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρασκευή Tio₂ με διαφορετικές μορφολογίες. Το CVD μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την κατάθεση ταινιών Tio₂ με συγκεκριμένες μορφολογίες σε ένα υπόστρωμα, ενώ η ηλεκτροσυσσωμάτωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή νανοϊνών του Tio₂. Αυτές οι μέθοδοι προσφέρουν πρόσθετες επιλογές για τον έλεγχο της μορφολογίας του Tio₂ και την επέκταση των εφαρμογών της.
Αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος στην κατανόηση της σχέσης μεταξύ της μορφολογίας του Tio₂ και των ιδιοτήτων της, εξακολουθούν να υπάρχουν πολλές προκλήσεις που πρέπει να αντιμετωπιστούν.
Μία από τις κύριες προκλήσεις είναι ο ακριβής έλεγχος της μορφολογίας. Ενώ οι τρέχουσες μέθοδοι σύνθεσης μπορούν να παράγουν TiO₂ με διαφορετικές μορφολογίες, είναι συχνά δύσκολο να επιτευχθεί υψηλός βαθμός ακρίβειας στον έλεγχο του μεγέθους, του σχήματος και της δομής του υλικού. Για παράδειγμα, στη σύνθεση των νανοσωματιδίων Tio₂, είναι δύσκολο να ληφθούν νανοσωλήνες με ακριβώς την ίδια αναλογία μήκους και διαστάσεων σε παραγωγή μεγάλης κλίμακας. Αυτή η έλλειψη ακρίβειας μπορεί να επηρεάσει την αναπαραγωγιμότητα των ιδιοτήτων του υλικού και να περιορίσει τις εφαρμογές του σε ορισμένα πεδία υψηλής ακρίβειας όπως η μικροηλεκτρονική.
Μια άλλη πρόκληση είναι η σταθερότητα της μορφολογίας υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα υλικά Tio₂ χρησιμοποιούνται συχνά σε διάφορες εφαρμογές όπου μπορούν να εκτεθούν σε διαφορετικούς περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η υγρασία και οι χημικές ουσίες. Η μορφολογία του υλικού μπορεί να αλλάξει κάτω από αυτές τις συνθήκες, γεγονός που μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγή στις ιδιότητές του. Για παράδειγμα, σε ορισμένες φωτοκαταλυτικές εφαρμογές, τα νανοσωματίδια Tio₂ μπορούν να συγκεντρωθούν ή να αλλάξουν το σχήμα με την πάροδο του χρόνου, μειώνοντας τη φωτοκαταλυτική τους απόδοση. Ως εκ τούτου, είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν στρατηγικές για τη διατήρηση της σταθερότητας της μορφολογίας του Tio₂ υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες.
Όσον αφορά τις μελλοντικές κατευθύνσεις, υπάρχουν αρκετοί τομείς που έχουν μεγάλη υπόσχεση. Ένας τομέας είναι η ανάπτυξη νέων μεθόδων σύνθεσης που μπορούν να παρέχουν ακριβέστερο έλεγχο της μορφολογίας του Tio₂. Για παράδειγμα, μπορούν να διερευνηθούν προηγμένες τεχνικές νανοτεχνολογίας όπως η εναπόθεση ατομικής στρώσης (ALD) για να επιτευχθεί ακριβέστερος έλεγχος του μεγέθους και του σχήματος του Tio₂. Ένας άλλος τομέας είναι η μελέτη της αλληλεπίδρασης μεταξύ διαφορετικών μορφολογιών του Tio₂ και άλλων υλικών. Για παράδειγμα, η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο οι ιεραρχικές δομές Tio₂ αλληλεπιδρούν με πολυμερή ή άλλους ημιαγωγούς μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων σύνθετων υλικών με βελτιωμένες ιδιότητες. Επιπλέον, απαιτείται περαιτέρω έρευνα σχετικά με τη μακροπρόθεσμη σταθερότητα της μορφολογίας του Tio₂ υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες για να εξασφαλιστεί η αξιόπιστη εφαρμογή της σε διάφορους τομείς.
Συμπερασματικά, η μορφολογία του διοξειδίου του τιτανίου έχει βαθιές επιπτώσεις στις διάφορες ιδιότητές του, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών, φωτοκαταλυτικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων. Διαφορετικές μορφολογίες όπως
