Anatase टाइटेनियम डाइऑक्साइड (Tio₂) का एक बहुरूपता है जो विभिन्न उद्योगों में अपने अद्वितीय फोटोकैटलिटिक गुणों और व्यापक अनुप्रयोगों के लिए जाना जाता है। परंपरागत रूप से, एनाटेज लगभग 3.2 ईवी के अपने विस्तृत बैंड गैप के कारण एक सफेद या रंगहीन ठोस के रूप में दिखाई देता है, जो इसके अवशोषण को विद्युत चुम्बकीय स्पेक्ट्रम के पराबैंगनी क्षेत्र तक सीमित करता है। हालांकि, सामग्री विज्ञान में हाल की प्रगति ने ब्लैक एनाटेज के विकास को जन्म दिया है, एक संशोधित रूप जो दृश्य प्रकाश सीमा में बढ़ाया ऑप्टिकल अवशोषण को प्रदर्शित करता है। एक सफेद से एक काले ठोस में इस परिवर्तन से सौर ऊर्जा कटाई और पर्यावरणीय उपचार सहित फोटोकैटलिटिक प्रक्रियाओं की दक्षता में सुधार के लिए महत्वपूर्ण निहितार्थ हैं। इस लेख में, हम संरचनात्मक और इलेक्ट्रॉनिक संशोधनों में तल्लीन करते हैं जो एनाटेज को काले दिखाई देते हैं और उन्नत प्रौद्योगिकियों में इस पेचीदा सामग्री के संभावित अनुप्रयोगों का पता लगाते हैं, विशेष रूप से ध्यान केंद्रित करते हैं। टाइटेनियम डाइऑक्साइड एनाटेज.
एनाटेस रूटाइल और ब्रूकेट के साथ -साथ टाइटेनियम डाइऑक्साइड के तीन स्वाभाविक रूप से पाए जाने वाले क्रिस्टलीय रूपों में से एक है। यह जाली मापदंडों के साथ एक टेट्रागोनल संरचना में क्रिस्टलीकृत करता है जो इसे अन्य बहुरूपियों से अलग करता है। Anatase क्रिस्टल जाली में tio₆ octahedra होते हैं जो एक साथ जुड़े होते हैं, जो एक तीन-आयामी नेटवर्क बनाते हैं। यह संरचनात्मक व्यवस्था इसके विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक गुणों में योगदान देती है, जिसमें एक उच्च विशिष्ट सतह क्षेत्र और रूटाइल की तुलना में एक बड़ा बैंड गैप शामिल है।
एनाटेज का बैंड गैप इसकी फोटोकैटलिटिक गतिविधि में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। एक बड़े बैंड गैप का मतलब है कि एनाटेस को वैलेंस बैंड से चालन बैंड तक इलेक्ट्रॉनों को उत्तेजित करने के लिए, पराबैंगनी रेंज में उच्च ऊर्जा फोटॉन की आवश्यकता होती है। जबकि यह संपत्ति दृश्य प्रकाश के तहत अपनी उपयोगिता को सीमित करती है, इसका मतलब यह भी है कि एनाटेस में इलेक्ट्रॉन-होल पुनर्संयोजन दर कम है, जो फोटोकैटलिसिस के लिए फायदेमंद है। एनाटेस की अपनी फोटोकैटलिटिक दक्षता से समझौता किए बिना दृश्य प्रकाश को अवशोषित करने की क्षमता को बढ़ाना एक महत्वपूर्ण शोध फोकस है।
एनाटेज का काला रंग मुख्य रूप से इसकी इलेक्ट्रॉनिक संरचना में परिवर्तन के कारण होता है जो व्यापक ऑप्टिकल अवशोषण को सक्षम करता है, जो दृश्य और निकट-अवरक्त क्षेत्रों में फैलता है। कई तरीके ऐसे संशोधनों को प्रेरित कर सकते हैं, जिनमें ऑक्सीजन रिक्तियों की शुरूआत, विदेशी परमाणुओं के साथ डोपिंग और सतह के विकारों का निर्माण शामिल है। इन परिवर्तनों के परिणामस्वरूप बैंड गैप के भीतर स्थानीयकृत राज्यों का गठन होता है, जिससे इलेक्ट्रॉनिक संक्रमण के लिए आवश्यक ऊर्जा को प्रभावी ढंग से कम किया जाता है।
Anatase जाली के भीतर ऑक्सीजन की रिक्तियां बनाना ब्लैक एनाटेज का उत्पादन करने के लिए एक सामान्य तरीका है। ऑक्सीजन रिक्तियां इलेक्ट्रॉन दाताओं के रूप में कार्य करती हैं, चालन बैंड के नीचे दोष राज्यों का परिचय देती हैं। यह प्रक्रिया बैंड गैप को प्रभावी ढंग से बताती है, जिससे सामग्री दृश्य प्रकाश को अवशोषित करने और काले दिखाई देती है। ऑक्सीजन की कमी वाले एनाटेज को उच्च तापमान में कमी की प्रक्रियाओं के माध्यम से संश्लेषित किया जा सकता है, जैसे कि हाइड्रोजन वातावरण या वैक्यूम स्थितियों में एनीलिंग। ये विधियाँ Ti of केंद्रों को उत्पन्न करती हैं, जो बढ़े हुए दृश्य प्रकाश अवशोषण के लिए जिम्मेदार हैं।
धातु या गैर-धातु तत्वों के साथ डोपिंग एनाटेज बैंड गैप के भीतर अशुद्धता के स्तर का परिचय देता है, दृश्यमान प्रकाश अवशोषण की सुविधा देता है। लोहे, कोबाल्ट और निकेल जैसी संक्रमण धातुओं को अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनिक राज्यों को बनाने के लिए एनाटेज जाली में शामिल किया जा सकता है। गैर-धातु डोपेंट जैसे नाइट्रोजन, कार्बन और सल्फर भी इलेक्ट्रॉनिक संरचना को संशोधित करने में प्रभावी हैं। उदाहरण के लिए, नाइट्रोजन डोपिंग जाली में कुछ ऑक्सीजन परमाणुओं की जगह लेता है, जो एन -टीआई -ओ बॉन्ड बनाता है जो वैलेंस बैंड के ऊपर नए ऊर्जा स्तरों का परिचय देते हैं। यह संशोधन बैंड गैप को कम करता है और दृश्य प्रकाश के तहत फोटोकैटलिटिक प्रतिक्रिया को बढ़ाता है।
Anatase नैनोकणों पर एक अव्यवस्थित सतह परत बनाने से काले रंग का रंग हो सकता है। कोल्ड प्लाज्मा उपचार या बॉल मिलिंग जैसी तकनीकें थोक क्रिस्टल संरचना को बदलने के बिना सतह पर संरचनात्मक विकारों और दोषों का परिचय देती हैं। इस अनाकार परत में झूलने वाले बांड और दोष राज्यों का एक उच्च घनत्व होता है, जो अवशोषण स्पेक्ट्रम को दृश्य प्रकाश क्षेत्र में व्यापक बनाता है। कोर-शेल संरचना, एक क्रिस्टलीय कोर और एक अव्यवस्थित शेल के साथ, अपनी हल्की अवशोषण क्षमताओं का विस्तार करते हुए एनाटेज के लाभप्रद गुणों को बनाए रखती है।
ब्लैक एनाटेज अपने सफेद समकक्ष की तुलना में दृश्य प्रकाश के तहत काफी बढ़ी हुई फोटोकैटलिटिक गतिविधि को प्रदर्शित करता है। मिड-गैप राज्यों की शुरूआत और बैंड गैप की संकीर्णता कम ऊर्जा फोटॉनों के साथ उत्तेजना को सक्षम करती है। यह वृद्धि सौर ऊर्जा रूपांतरण जैसे अनुप्रयोगों के लिए महत्वपूर्ण है, जहां प्रचुर मात्रा में दृश्यमान स्पेक्ट्रम का उपयोग करने से समग्र दक्षता बढ़ जाती है।
इसके अलावा, दोष राज्यों की उपस्थिति इलेक्ट्रॉन-होल पुनर्संयोजन दरों को कम करने वाले मार्ग प्रदान करके चार्ज वाहक पृथक्करण की सुविधा प्रदान करती है। यह सुविधा पानी के विभाजन, प्रदूषक गिरावट और कार्बन डाइऑक्साइड में कमी जैसी फोटोकैटलिटिक प्रक्रियाओं के लिए फायदेमंद है। अध्ययनों से पता चला है कि ब्लैक एनाटेज पारंपरिक एनाटेज की तुलना में सौर रोशनी के तहत पानी से हाइड्रोजन उत्पादन की उच्च दर प्राप्त कर सकता है।
काले एनाटेज के अनूठे गुण विभिन्न तकनीकी क्षेत्रों में नई संभावनाओं को खोलते हैं। इसकी बेहतर ऑप्टिकल अवशोषण और फोटोकैटलिटिक गतिविधि इसे ऊर्जा और पर्यावरणीय अनुप्रयोगों के लिए एक आशाजनक सामग्री बनाती है।
सौर कोशिकाओं में, ब्लैक एनाटेज एक कुशल फोटोनोड सामग्री के रूप में काम कर सकता है। दृश्य प्रकाश को अवशोषित करने की इसकी क्षमता डाई-संवेदी सौर कोशिकाओं और पेरोव्साइट सौर कोशिकाओं में फोटोक्यूरेंट पीढ़ी को बढ़ाती है। सामग्री की स्थिरता और गैर-विषाक्तता अतिरिक्त लाभ हैं, जो स्थायी ऊर्जा प्रणालियों के विकास में योगदान करती है।
ब्लैक एनाटेज पानी में कार्बनिक प्रदूषकों को नीचा दिखा सकता है और दृश्यमान प्रकाश के तहत अधिक प्रभावी ढंग से हवा कर सकता है। यह क्षमता अपशिष्ट जल का इलाज करने और पराबैंगनी रोशनी पर भरोसा किए बिना वायु प्रदूषण को कम करने के लिए आवश्यक है, जो कम ऊर्जा-कुशल है। सामग्री की फोटोकैटलिटिक कार्रवाई हानिकारक यौगिकों को कम विषाक्त रूपों में तोड़ सकती है, पर्यावरणीय सफाई के प्रयासों में सहायता कर सकती है।
काले एनाटेज का उपयोग करके फोटोकैटलिटिक पानी विभाजन हाइड्रोजन पीढ़ी के लिए एक आशाजनक विधि है। बढ़ाया दृश्य प्रकाश अवशोषण और बेहतर चार्ज वाहक गतिशीलता हाइड्रोजन अणुओं में संग्रहीत रासायनिक ऊर्जा में सौर ऊर्जा के कुशल रूपांतरण की सुविधा प्रदान करता है। यह प्रक्रिया स्वच्छ ईंधन प्रौद्योगिकियों के विकास में योगदान देती है।
काले एनाटेज का उत्पादन करने के लिए वांछित संरचनात्मक संशोधनों को प्राप्त करने के लिए संश्लेषण की स्थिति पर सटीक नियंत्रण की आवश्यकता होती है। सामान्य तरीकों में शामिल हैं:
हाइड्रोजनीकरण में ऊंचे तापमान पर हाइड्रोजन गैस के साथ एनाटेज का इलाज करना शामिल है। यह प्रक्रिया ऑक्सीजन की रिक्तियों को बनाती है और कुछ ti⁴⁺ को ti ⁺ से कम कर देती है, जिससे दृश्य प्रकाश अवशोषण के लिए जिम्मेदार मध्य-गैप राज्यों के गठन के लिए अग्रणी होता है। हाइड्रोजनीकरण की अवधि और तापमान महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं जो दोषों की एकाग्रता और सामग्री के गुणों को प्रभावित करते हैं।
रासायनिक कमी के तरीके एनाटेज में ऑक्सीजन रिक्तियों को प्रेरित करने के लिए सोडियम बोरोहाइड्राइड या हाइड्रैजीन जैसे एजेंटों को कम करने का उपयोग करते हैं। ये एजेंट जाली में ऑक्सीजन परमाणुओं के साथ प्रतिक्रिया करते हैं, रिक्तियां पैदा करते हैं और इलेक्ट्रॉनिक संरचना को बदलते हैं। हाइड्रोजनीकरण की तुलना में कम तापमान पर रासायनिक कमी की जा सकती है, जो काले एनाटेज के उत्पादन के लिए अधिक सुलभ दृष्टिकोण प्रदान करती है।
प्लाज्मा उपचार में प्लाज्मा वातावरण में एनाटेज को उजागर करना, दोषों को पेश करना और सतह के गुणों को संशोधित करना शामिल है। कोल्ड प्लाज्मा तकनीक थोक संरचना को प्रभावित किए बिना अव्यवस्थित सतह परतें बना सकती है। यह विधि सामग्री के ऑप्टिकल गुणों के ठीक-ट्यूनिंग के लिए अनुमति देती है और बड़े पैमाने पर उत्पादन के साथ संगत है।
जबकि एनाटेस, रूटाइल, और ब्रूकेट टाइटेनियम डाइऑक्साइड के सभी पॉलीमॉर्फ हैं, उनके भौतिक और इलेक्ट्रॉनिक गुण काफी भिन्न होते हैं। रुटाइल में लगभग 3.0 ईवी का एक छोटा बैंड गैप होता है और उच्च तापमान पर थर्मोडायनामिक रूप से अधिक स्थिर होता है। ब्रुकिट कम आम है और इसकी जटिल संरचना और संश्लेषण में कठिनाई के कारण सीमित औद्योगिक अनुप्रयोग हैं।
ब्लैक एनाटेज विस्तारित प्रकाश अवशोषण क्षमताओं के साथ एनाटेज के लाभकारी गुणों को मिलाकर खुद को अलग करता है। इसी तरह के काले रंग के रंग को प्राप्त करने के लिए रूटाइल को संशोधित करना इसकी सघन क्रिस्टल संरचना और कम दोष सहिष्णुता के कारण अधिक चुनौतीपूर्ण है। इसलिए, ब्लैक एनाटेज स्थिरता, फोटोकैटलिटिक दक्षता और संशोधन में आसानी का एक अनूठा संतुलन प्रदान करता है।
ब्लैक एनाटेज के होनहार गुणों के बावजूद, इसके व्यापक अनुप्रयोग के लिए कई चुनौतियों को संबोधित करने की आवश्यकता है। दोषों की एकाग्रता और वितरण को नियंत्रित करना महत्वपूर्ण है, क्योंकि अत्यधिक दोष पुनर्संयोजन केंद्रों के रूप में कार्य कर सकते हैं, फोटोकैटलिटिक दक्षता को कम कर सकते हैं। इसके अलावा, समय के साथ गिरावट को रोकने के लिए परिचालन स्थितियों के तहत काले एनाटेज की स्थिरता सुनिश्चित की जानी चाहिए।
भविष्य के अनुसंधान स्केलेबल संश्लेषण विधियों को विकसित करने, भौतिक स्थिरता को बढ़ाने और कार्यात्मक उपकरणों में काले एनाटेज को एकीकृत करने पर ध्यान केंद्रित कर रहे हैं। लक्षण वर्णन तकनीकों में प्रगति भी संरचनात्मक दोषों और इलेक्ट्रॉनिक गुणों के बीच संबंधों को समझने में सहायता कर रही है। काले एनाटेज-आधारित प्रौद्योगिकियों के व्यावसायीकरण में तेजी लाने के लिए शिक्षाविदों और उद्योग के बीच सहयोग आवश्यक है।
एक काले ठोस में एनाटेस का परिवर्तन सामग्री विज्ञान के क्षेत्र में एक महत्वपूर्ण उन्नति का प्रतिनिधित्व करता है। संरचनात्मक और इलेक्ट्रॉनिक संशोधनों को प्रेरित करके, ऑप्टिकल अवशोषण का विस्तार करना संभव है टाइटेनियम डाइऑक्साइड एनाटेज दृश्यमान स्पेक्ट्रम में, इसकी फोटोकैटलिटिक गतिविधि को बढ़ाता है। यह विकास सौर ऊर्जा रूपांतरण प्रणालियों, पर्यावरणीय उपचारात्मक प्रक्रियाओं और हाइड्रोजन उत्पादन प्रौद्योगिकियों की दक्षता में सुधार के लिए काफी क्षमता रखता है। निरंतर अनुसंधान और नवाचार को वर्तमान चुनौतियों को पार करने की उम्मीद है, जो औद्योगिक अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में काले एनाटेज के एकीकरण के लिए मार्ग प्रशस्त करता है और स्थायी तकनीकी प्रगति में योगदान देता है।
