Proiect

Nanocristale de TiO2

Bucuresti, 2011

Cuprins

1. Generalităţi…………………………………………………….3

2. Exemple de nanomateriale studiate sau utilizate în prezent.......5

3. Avantejele dimensiunilor nanometrice.......................................5

4. Nanocristale de TiO2...................................................................7

4.1. Caracteristicile dioxidului de titan...................................................8

4.2. Utilizările dioxidului de titan...........................................................8

4.3. Metode de sinteză.............................................................................9

5. Concluzii.....................................................................................11

6. Bibliografie.................................................................................12

2

Nanocristale de TiO2

1. Genaralităţi

Nanotehnologia este ansamblul de tehnici care vizează producerea, manipularea şi

utilizarea obiectelor şi materialelor la scară nanometrică (10-9 m) mai precis cu dimensiuni

situate între 1 şi 100 nanometri (nm). Se poate defini ca fiind abilitatea de a transforma

materia ordonând cu precizie atom după atom şi moleculă după moleculă, pentru ca în final să

se producă nanostructuri din care se vor forma nanoproduse.

Sintetizarea şi procesarea nonostructurilor au ca obiect înlocuirea diverselor tipuri de

materiale organice, anorganice şi biologice, mai bune decât cele realizate până în prezent.

Crearea structurilor nanometrice permite controlul proprietăţilor fundamentale ale

materialelor, cum ar fi temperatura de topire, proprietăţile magnetice, sarcina electrică,

culoarea, fără a modifica compoziţia chimică.

Nanomaterialele marchează limitele dintre nanoştiinţe şi nanotehnologii, aşa că

definirea lor este apropiata de a acestora. În principiu, majoritatea cercetătorilor accepta ideea

că nanomaterialele sunt particule materiale care au un diametru de cel mult 250 nm.

Pentru a întelege ce înseamnă asta în realitate este suficient să se recurgă la unele date

statistice. Spre exemplu, 2 g de nanoparticule de Al cu diametrul mediu de 100 nm, conţin

suficiente nanoparticule încat să se poată da fiecărui locuitor al planetei cam 300 000 de

particule.

Nanomaterialele acoperă, din fericire o arie largă de materiale : polimeri, metale,

ceramice. Ele pot avea de asemenea morfologii foarte variate: sfere, fibre, palete, structuri

dendritice, tuburi, etc.  (fig.1)

3

Fig. 1. Aspectul unor nanomateriale (nanoparticole-nanopudre) : (a) Co; (b) oxid de cupru;

(c) oxid de zinc; (d) Ag.

Tehnicile de producere în laborator şi condiţiile speciale de sinteza a lor pot determina uneori

forme foarte sofisticate pentru nanomateriale (fig 2).

Fig. 2. Nanostructuri de  ZnO sintetizate în condţtii controlate prin evaporarea termica a

pulberilor solide.

4

Nanomaterialele şi nanotehnologiile reprezintă domenii de cercetare coerente, la hotarul

a trei curente tehnologice:

- tehnici noi şi îmbunătăţite de control al dimensiunii şi de manipulare a nanomaterialelor;

- tehnici noi şi îmbunătăţite pentru caracterizarea nanomaterialelor (rezoluţie în spaţiu,

senzitivitate chimică, etc.);

- o mai bună conştientizare a relaţiilor dintre nanostructură şi proprietăţi şi a modului lor de

valorificare.

2. Exemple de nanomateriale studiate sau utilizate în prezent

Nanotuburide carbon sau de nitrură de bor

Nanopudre ceramice (silicaţi sau oxid de titan): obţinute prin vaporizarea unor

precursori metalici şi sau organici în flacără la înaltă temperatură. Acestea sunt utilizate

în tratarea suprafeţelor la durificare, la realizarea materialelor biocompatibile pentru

implanturi osoase şi a polimerilor buni conductori electrici

Nanofibre, în special de carbon: au proprietăţi conductive electric şi rezistenţă

mecanică mare

Nanofoi de sticlă: în domeniul discurilor optice. Obţinere de densitate mult mai mare

de informaţie stocată de 4 ori valorificându-se depunerea de oxid de cobalt pe suprafaţă

discului

Nanofilme de ADN: aceste filme au proprietăţi filtrante cu utilitate în domeniul

protecţiei mediului

Nanocristale: cristale de diamant artificial sau alte cristale naturale cu proprieţi

electrice pentru realizarea microprocesoaarelor

Nanocomposite: materiale composite cu duritate mare sau transparente

3. Avantejele dimensiunilor nanometrice

- structurarea materiei la nivel nanometric este esenţială pentru sistemele biologice;

- nanotehnologiile vor permite plasarea unor dispozitive în interiorul celulelor;

5

- nanotehnologiile vor permite crearea de noi materiale folosind metode auto-structurante,

după modelul celor din natură.

- raportul suprafaţă/volum foarte mare caracteristic nanostructurilor, le face ideale pentru

aplicaţii în domeniul materialelor compozite, reacţiilor chimice, eliberării de medicamente,

stocării energiei.

- materialele ceramice nanostructurate sunt mai rezistente mecanic şi mai puţin fragile;

- cataliza la scară nanometrică va îmbunătăţi randamentul reacţiilor chimice, a combustiei

în particular, reducând în acelaşi timp în mod semnificativ poluarea.

- mai mult de jumătate din substanţele noi cu efect terapeutic nu sunt solubile în apă la

nivel micrometric, dizolvându-se probabil la nivel nanometric;

- devine astfel posibilă proiectarea de noi medicamente în formă utilizabilă;

- nanostructurile permit construirea de sisteme cu o densitate a componentelor mult

crescută;

- electronii vor avea nevoie de timpi mult reduşi pentru a circula între componente;

O estimare a producţiei diverselor nanomateriale pentru perioada actuala şi viitoare este

redată în tabelul 1.

Tab.1 Producţia globală estimată pentru diferite tipuri de nanomateriale

Aplicaţii Material/produsProducţia estimată (tone/an)

2003-2004 2005-2010 2011-2020

Structurale Ceramice, composite catalitice, straturi de acoperire, filme subtiri, pulberi metalice

(Ceramics, catalysts composites, coatings, thin films, powders, metals)

10 103104-105

Produse cosmetice Oxizi metalici

(Metal oxides) (TiO2, ZnO, Fe2O3)

103 103 103

Tehnologia informaţiei şi comunicaţiei

(ICT)

Nanotuburi monostrat, nanoelectronice, materiale optoelectronice, diode organice

luminiscente[Single-walled nanotubes,

nanoelectronics, optoelectronic materials (TiO2, ZnO, Fe2O3), organic light-emitting

diodes (OLEDs)]

10 102

103

6

Biotehnologie Nanocapsule, materiale biocompatibile, stimulatori, composite, biosenzori (Nanoencapsulates, biocompatible

materials, quantum dots, composites, biosensors)

1 1 10

Instrumente, senzori,

caracterizare

Sisteme microelectronice sisteme nanomecanice, microscopie prin scanarea

probelor litografie,  [Microelectromechanical systems

(MEMS), nanoelectro-mechanical systems (NEMS), scanning probe microscopy

(SPM), dip-pen lithography, direct-write tools]

10 102102-103

MediuNanofiltrare, membrane

(Nanofiltration, membranes)

10 102 103-104

4. Nanocristale de TiO2

Nanomaterialele ofera o arie extrem de largă de aplicaţii practice, cu mari perspective în

ceea ce priveşte diversificarea sau creşterea performanţelor tehnice ale dispozitivelor. În

acelaşi timp au aparut noi probleme teoretice, tehnologice şi aplicative legate de proiectarea

proceselor de sinteză a acestora deoarece, fiecare aplicaţie reclamă o serie de caracteristici

morfostructurale bine precizate ale materialului la scară nanometrică. De aici şi necesitatea

dezvoltarii şi dobândirii de cunoştinţe avansate în elaborarea unor metode adecvate de sinteză,

care să faciliteze un control riguros al dimensiunilor, structurii şi proprietăţilor acestora.

Se manifestă un mare interes pentru obţinerea de nanomateriale în general şi de

nanomateriale pe bază de oxizi semiconductori în special, datorită diversităţii aplicaţiilor.

Dintre oxizii semiconductori, dioxidul de titan (TiO2) este cel mai important material, fiind

studiat foarte mult în ultimii ani şi îmbunătăţit în cateva variante, una dintre acestea fiind

doparea cu diverse elemente chimice (ioni metalici, nemetalici, sau alţi oxizi) urmărindu-se :

7

a) influenţarea proceselor ce intervin în dinamica mecanismelor cuantice (generarea,

deplasarea, recombinarea purtătorilor de sarcină – stimulând participarea acestora la crearea

mediului chimic reactiv)

b) extinderea spectrului radiaţiei activatoare spre domeniul vizibil, făcând posibilă activarea

mai eficientă a materialului la lumina solară.

În ultimii ani a fost înregistrat un semnificativ progres în obţinerea de nanocristale.

Multe materiale comune, precum metalele, semiconductorii şi magneţii pot fi obţinute din

nanocristale, având la bază procedee fizice coloidale.

4.1. Caracteristicile dioxidului de titan

Dioxidul de titan este o pulbere fină de culoare albă cu stabilitate foarte bună la

lumină, căldură, oxidare şi schimbări de pH. Nu prezintă toxicitate, este bioactiv.

Filmele subţiri sunt transparente.

Costurile de obţinere sunt scăzute. Un alt mare avantaj este posibilitatea de regenerare

pe care o dă materialelor.

Dioxidul de titan are cel mai mare indice de refracţie mai mare chiar decat al

diamantului.

4.2. Utilizările dioxidului de titan

TiO2 este utilizat în vopsele, materiale plastice sau hartie pentru obţinerea unui alb

maxim şi opacitate, avâd şi o putere mai mare de acoperire cu abilitatea de a masca sau

ascunde un substrat.

Este utilizat şi în indusria alimentară la fabricarea bomboanelor, pentru finisajul alb-

opac sau ca bază pentru alte culori, pentru colorarea unor sortimente de brânză, creme,

produse de panificaţie.

TiO2 are aplicaţii şi în alte domenii cum sunt:

Sănătate: - efecte anticancerigene

- stimulatori ai sistemului imunitar

- stresprotectori

Protecţia mediului: - purificarea aerului

- tratarea apelor pentru potabilizare

Industria construcţiei de autoturisme:

8

- antifungic

- antibacterian

- autocurăţare

Industria sticlei: - geamuri cu autocurăţare

Aparatură de detecţie: - senzori şi biosenzori

4.3. Metode de sinteză

TiO2 poate fi sintetizat prin mai multe metode:

- precipitare

- sol – gel

- microemulsie

- combustie

- hidrotermală

- electrochimică

În continuare am abordat tratarea obţinerii de TiO2 dopat folosind tehnica sol-gel.

Tehnicile sol – gel permit producerea de nanomateriale plecând de la soluţii de alcoxizi

sau de la soluţii coloidale. Ele se bazează pe reacţii de polimerizare anorganice.

Interesul asupra procedeului sol – gel constă în posibilitatea de a controla omogenitatea

şi nanostructura în timpul primelor etape de fabricaţie.

Această tehnică permite producerea de piese masive, dar şi depuneri superficiale pe

plăci sau fibre. Ele sunt, de asemenea, utilizate pentru producerea de compozite fibroase.

Materialele realizate prin procedeul sol–gel acoperă aproape toate domeniile

materialelor cu funcţii speciale: optice, magnetice, electronice, superconductoare la

temperatură înaltă, catalizatoare, energetice, captori, etc.

Această tehnică are avantajul de a permite un control eficace al dimensiunii particulelor

şi omogenitatea distribuirii acestora şi este realizat la temperaturi mai joase decât cele pentru

alte procedee.

Procedeul sol – gel este împărţit în trei categorii:

- procedeul sol – gel pe bază de silice,

- procedeul pe bază de alcoxizi metalici;

- procedeul Pechini (o soluţie apoasă de oxizi sau săruri cu compoziţia dorită, este amestecată

cu un acid hidroxicarboxilic, cum ar fi acidul citric; se obţin asţtfel compuşi complecşi, cu

catene în formă de inele, care înglobează cationii metalici).

Aplicaţii: materiale ceramice, sticlă, materiale amorfe şi nanostructurate, oxizi complecşi.

9

Pentru a obţine nanocristale de TiO2 sunt utilizaţi precursori precum:

- teraclorura de titan (TiCl4)

- acid oxalic ( C2O4H2 ) pentru sinteza TiO2 pur

- azotat de fier ( Fe(NO3)3 ), azotat de argint ( AgNO3 ) precursori pentru doparea TiO2.

Schema procesului de sinteza a nanocristalelor de TiO2 prin metodele sol-gel

TiCl4+C2O4H2

AgNO3

Fe(NO3)

TiO2 (Ag, Fe)amorf

Calcinare TiO2(Ag, Fe)cristalin

10

Morfologia SEM şi morfologia EDAX pentru: A) TiO2-Ag şi B) TiO2-Fe obţinute prinmetoda sol-gel

5. Concluzii

S-au obţinut nanocristale de TiO2 dopat cu ioni de Fe şi Ag prin metoda sol-gel.

- Spectrele de difracţie de raxe X confirmă cristalizarea dioxidului de titan în forma anatas.

- Dopanţii (Ag şi Fe) nu au prezentat peak-uri separate în spectrele de difracţie de raze X,

ceea ce demonstrează că aceştia au fost distribuiţi uniform în reţeaua cristalină a dioxidului de

titan;

- În urma analizei morfologice şi structurale realizate prin microscopia electronică (SEM) s-a

observat forma sferică a particulelor de TiO2, cu dimensiuni cuprinse între 10-20nm.

- Analiza EDAX a fost realizată pentru confirmarea prezenţei dopanţilor în structura

dioxidului de titan.

Obţinerea şi aplicarea acestor materiale ca şi dezinfectant şi nu numai în tehnologia de

tratare a apei poate fi privită ca un instrument foarte promiţător de imbunătăţire a

managementului durabil al resurselor de apa. Mai mult diferitele utilizări pe care acest

material le poate avea în domeniul protecţiei mediului, legate de usurinţa obţinerii, caracterul

său netoxic şi stabilitatea sa îl propun ca un potenţial mod de abordare pentru rezolvarea

multiplelor probleme de mediu.

TiO2 dopat are efect şi în medicină stimulând reactivitatea imună.

11

Bibliografie

1. Ioan Vedinaş, Emil Creţu “Elemente de nanotehnologie”, Bucureşti, 2008, pag.27-100

2. C. Lăzău, P. Sfîrloagă, P. Vlăzan, S. Novaconi, I. Miron, C. Raţiu, L. Mocanu, A.

Ioiţescu, I. Grozescu, “ Synthesis and characterization of functional TiO2 nanomaterials”,

Chem. Bull. "POLITEHNICA" Univ. (Timişoara) Volume 53 (67), 2008,p.273.

3. Carmen Lazău, Paula Sfîrloagă, Cornelia Raţiu, Corina Orha, Alexandra Ioitescu,

IasminaMiron, Ştefan Novaconi, Daniel I. Hădărugă, Nicoleta G. Hădărugă,Geza N. Bandur,

Gerlinde Rusu, Ioan Grozescu, “Synthesis of bioactive materials based on undoped/doped

TiO2 and their nanocrystals with α/β –cyclodextrins”

12

4. Ioana Lăcătuşu, Nicoleta Badea, Rodica Niţă, Alina Murariu, “Sinteza dirijată de

nanostructuri pentru materiale cu proprietăţi multifuncţionale” , Ed. Politehnica Press,

Bucureşti, 2009

13