• کاربردهای نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم از جمله آنها در زمینه حذف آلاینده ها از محیط زیست می‌باشد.

• کاربرد دیگر(TiO₂) استفاده از آن در حس گرهای گاز است.

کاربرد حسگرهای گاز، برای اصلاح کنترل ایمنی و محیطی گازها می باشد و همچنین برای بهینه کردن واکنش های سوخت در کاربردهای صنعتی نیاز به این نوع حسگرها است.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

حسگرهای گازی از نوع نیمه رسانا نظیر (TiO₂)(SnO₂)(ZnO) مزایای زیادی نسبت به سایر حسگرها دارند چون کاربرد ساده و هزینه کم و قابل اعتماد می‌باشند.

• از دیگر کاربردهای TiO₂ استفاده از آن در حسگرهای اکسیژن است.

برای تهیه نانو ذرات TiO₂ از روش های سل-ژل ، میکروامولسیون ، هیدروترمال , هیدرولیز، شعله، احتراق، چگالش بخارات شیمیایی استفاده می‌شود.
نانو ذرات به دست آمده با بهره گرفتن از روش های مختلف با توجه به شرایط تهیه آنها دارای ویژگی هایی چون اندازه ذرات ، تبلورو دانه بندی می‌باشند.
دی‌اکسید‌تیتانیوم (TiO₂) یک اکسید فلزی نیمه رسانا از نوع (n-type) با باند انرژی حدوداّ سه الکترون ولت می‌باشد.
دی‌اکسید‌تیتانیوم دارای سه فاز کریستالی Anatase، Rutile ،Brookite می باشد که آناتایز و روتایل چهار وجهی و بروکیت هشت وجهی می‌باشد.
آنالیز (TiO₂) نیمه پایدار است به طوری که در دمای بالا به فاز روتایل که پایدار است تبدیل می‌شود .فاز برکیت فقط در دمای خیلی پایین پایدار است.
دی‌اکسید‌تیتانیوم نیمه رسانایی است که علاوه بر خاصیت رسانایی اش دارای خواص فتوکاتالیستی و فوق آبدوستی نیز می باشد که متمایز از نیمه رساناهای دیگر است]۱۷[ و ]۱۸[.
۲-۳-۲-روش های سنتز دی اکسید تیتانیوم

• تولید نانو ذرات در فاز مایع

• تولید نانو ذرات در فاز بخار

روش های تولید نانو ذرات (TiO₂) در فاز مایع :
۱)روش سل-ژل
۲)روش میکروامولوسیون
۳)روش هیدروترمال
۴)روش رسوبی
روش های سنتز نانو ذرات(TiO₂) در فاز بخار: بر پایه پیش ماده می باشد.
الف) اگر پیش ماده به کار گرفته در آن جامد باشد:
۱)روش تراکم در گاز خنثی
۲)روش تخیله جرقه ای
۳)روش برون پاشی یونی
ب)اگر پیش ماده به کار رفته در آن مایع یا بخار باشد :
۱)روش شعله
۲)روش چگالی بخارات شیمیایی
در روش شعله از ایزوپروپوکساید تیتانیوم و یا از تتراکلرید تیتانیوم (TiCl₄) به عنوان پیش ماده استفاده می‌شود]۱۹[.
۲-۳-۳-روش سل-ژل
در روش سل-ژل که در این فرایند یک شبکه غیر آلی به صورت یک سوسپانسیون کلوئیدی (سل) تهیه شده و در نهایت طی فرایند تشکیل ژل ، فاز مایع از آن خارج می‌شود. به طور کلی در این روش نانو ذرات درون شبکه یک ژل تشکیل و این امر مانع از رشد بلورها می‌شود در نتیجه بلورها در اندازه نانو باقی می‌مانند.
در این روش از آلکو اکسیدهای فلزی حل شده در محیط الکلی استفاده می‌شود که در مرحله اول سل حاصل طی فرایند هیدرولیز , که سبب جانشینی گروهای OH به جای گروهای OR می شود , به صورت ژل در می‌آید.
جهت تولید نانو ذرات دی‌اکسید‌تیتانیوم به روش سل_ژل ابتدا واکنش هیدرولیز و پلی کندانسیون آلکواکسیدهای تیتانیوم Ti(OR)n جهت تشکیل اکسو پلیمرها انجام می شود و سپس به یک شبکه اکسیدی تبدیل می‌شود.
کندانسون در مرحله ژله ای شدن و مرحله تکلیس انجام می‌شود.
کندانسیون ذرات ژل را به سمت یکدیگر می کشاند و در نتیجه یک جرم فشرده ای را به وجود می‌آورد و بلور اکسید فلزی به این ترتیب شکل می‌گیرد.
تکلیس نیز سبب خارج کردن مولکولهای آلی از محصول و کاملتر کردن تبلور می‌شود.
تمام این مراحل و موادی که در تهیه نانو ذرات از روش سل_ژل استفاده می شوند بر روی ساختار نهایی، ماهیت کریستالی، مورفولوژی، شکل و اندازه ذرات تاثیر می گذارند.
مواد اولیه ای که جهت سنتز نانو ذرات از طریق این روش مورد استفاده قرار می‌گیرند عبارتند از : محلول پیش ماده(آلکوکسیدهای تیتانیوم) در یک الکل (ایزوپروپانول یا اتانول) به علاوه اسید یا باز جهت تغییر PH محیط (اسید نیتریک، اسید هیدروکلریک) و آب دیونیزه شده جهت هیدرولیز پیش ماده.
در برخی موارد آب همراه الکل به پیش ماده اضافه و اسید به طور جداگانه در یک مرحله دیگر به بقیه مواد اضافه می شود و در بعضی مواقع دیگر محلول از آب و اسید تهیه شده و به پیش ماده اضافه می شود.
علت استفاده از اسید یا باز در هنگام سنتز این است که یون H⁺ در محیط های اسیدی و یا یون OH¯ در محیط بازی روی سطح ذرات جذب شیمیایی می‌شوند]۲۰[.
بطور مثال:
TiO₂+nH⁺ TiO₂ Hⁿ⁺
TiO₂+nOH⁻ TiO₂ (OH)ⁿ⁻
همین امر باعث ایجاد یک نیروی رانش قوی بین ذرات باردار شده و در نتیجه از تجمع ذرات جلوگیری می‌شود. بنابراین سل های پایدار در محیط های اسیدی یا بازی می توانند شکل بگیرند.
طبق مشاهدات اندازه ذرات دی‌اکسید‌تیتانیوم در ۵/۳PH< و ۹PH> مقادیر پایین تری نسبت به محدوده ۵ الی ۸ دارند.
به طوری که در این محدوده PH ، بزرگترین ذرات حاصل شده‌اند که در واقع این محدوده همان نقطه ایزوالکتریک دی‌اکسید‌تیتانیوم می‌باشد و در این محدوده سل ها به رنگ سفید شیری هستند در حالی که برای ۵/۳PH< و ۹PH> سل ها شفاف هستند و اندازه ذرات دی‌اکسید‌تیتانیوم درحد نانومتر می‌باشد. عوامل تاثیر گذار روی ژل : نوع پیش ماده ، مقدار آب به کار رفته , سرعتی که آب اضافه می‌شود ، زمان دادن به محلول که همان زمان بین تشکیل ژل و حذف حلال است.
از معایب روش سل_ژل می توان به چند مرحله ای این روش اشاره کرد که مستلزم وقت و هزینه می شود.
از معایب دیگر آن تنوع زیاد مواد اولیه به کار رفته در این روش میباشد به طوری که تغییر هر کدام از این مواد تاثیر زیادی بر روی محصول نهایی می‌گذارد.
از مزایای روش سل_ژل سادگی آن نسبت به بسیاری از روش های تولید می‌باشد و به راحتی با کنترل دقیق شرایط سنتز , می توان نانو ذراتی با اندازه زیر ۱۰ نانومتر تولید کرد]۲۱[.
۲-۳-۴-پراش اشعه ایکس (XRD) :
با بهره گرفتن از XRD می توان اطلاعاتی راجع به فازهای کریستالی موجود در نمونه سنتز شده و میزان خلوص فازها به دست آورد. همچنین این روش تخمینی از اندازه ذرات را نیز به ما می‌دهد . که با بهره گرفتن از معادله شرر(scherrer) می توان این مقدار را اندازه گرفت.
بنابر این رابطه , هر چه پیک ها تیزتر باشند نشان دهنده ذرات بزرگتر می باشند.
جهت بهبود ماهیت کریستالی ذرات تولید شده عملیات حرارتی انجام می‌شود.طی این عملیات با افزایش دما ، ساختار آمورف نمونه تهیه شده به کریستال تبدیل می شود که از طریق طیف XRD به این تبدیل ساختار پی می‌بریم و متوجه می‌شویم که در چه دمایی تبدیل آمورف به کریستال رخ می‌دهد.
همچنین با بهره گرفتن از XRD می‌توان دمایی که در آن تبدیل آناتایز به روتایل رخ می‌دهد را مشخص کرد که این تبدیل فاز معمولا در محدوده دمایی °۵۰۰ تا °۷۰۰ که بر حسب نمونه و شرایط آن رخ می‌دهد.