Post on 08-Aug-2015
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