การเตรียมผลึกนาโนอนาเทส และการศึกษาผลึกนาโนอนาเทสโดย XRD

สรุปรายงานการวิจัยเรื่องการเตรียมนาโนอนาเทสและการวิเคราะห์ XRD โดยนักวิจัยจีน LI Guo-hua, ZHENG Yi-fan, MA Chun-an, TIAN Wei (Apr 2008)

ผลึกนาโนอนาเทสที่บริสุทธิ์ เตรียมได้โดยการไฮโดรไลซีสด้วย TiCl_4 ในสารละลาย ammonium sulfate ในขั้นตอนการตรวจสอบผลของความเครียดระดับจุลภาคบนการเปลี่ยนแปลงรูปของผลึกนาโนอนาเทส กระบวนการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของตัวอย่างได้รับการตรวจสอบโดย XRD ข้อมูลที่ได้จะแปรผันตามเส้นผ่านศูนย์กลางและการกระจายตัวของตัวอย่าง และความเครียดระดับจุลภาคของอนุภาค nanotitania สามารถประเมินได้ด้วย Win XRD software ผลลัพธ์ที่แสดงกระบวนการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของผลึกนาโนอนาเทส สามารถแบ่งได้ 4 ขั้นตอน อัตราการแข่นขันระหว่างการเกิดขึ้นของผลึกอนาเทส และการเปลี่ยนแปลงจากผลึกอนาเทสไปเป็นผลึก rutile สามารถระบุได้จากเสันผ่านศูนย์กลาง และปริมาณการกระจายตัวของอนุภาคนาโนอนาเทส และในระหว่างช่วงการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ความเครียดในระดับจุลภาคสามารถระบุอัตราการเพิ่มขึ้นของอนาเทส และการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของอนาเทส

Titanium (IV) oxide มี 3 ช่วง คือ อนาเทส brookite และ rutile นอกจากนี้อนาเทส และ brookite จะมีความเสถียรที่ช่วงอุณหภูมิห้อง และถ้าหากใช้อุณหภูมิที่สูงขึ้น จะทำให้ rutile มีความเสถียรมากกว่า การเปลี่ยนแปลงรูปร่างจากอนาเทสไปเป็น rutile เป็นการเปลี่ยนแปลงรูปร่างจากสถานะกระตุ้นสู่สถานะเสถียร ซึ่งเป็นอุณหภูมิที่ไม่เหมาะสมต่อการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ช่วงของอุณหภูมิที่ใช้อยู่ระหว่าง 673 – 1473 เคลวิน ซึ่งขึ้นอยู่กับ 1) วิธีการสังเคราะห์ 2) สภาพภูมิอากาศ 3) การเจือปนของไอออนอื่นๆ พฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงรูปร่างของอนาเทสเป็นผลอันเนื่องมาจากขนาดอนุภาค และค่า pH ที่ใช้ในวิธีเจลสังเคราะห์ ดังที่ได้มีการรายงานมาก่อนหน้านี้แล้ว พฤติกรรมการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง และการเกิดผลึกภายในอนุภาคนาโน โดยการให้อุณหภูมิสูง ด้วยเทคนิค X-ray diffraction ซึ่งสามารถตรวจสอบได้โดยการใช้รังสีซินโครตรอน ผลการทดลองที่ได้สามารถบ่งบอกได้จากหลายๆ แบบจำลอง โดยทั่วไปจากมีเพียง 1 แบบจำลองที่มีความเหมาะสมที่สุดที่ใช้ในการบอกถึงผลการทดลอง เนื่องจากแต่ละแบบจำลองจะเกี่ยวข้องกับกลไกการเปลี่ยนแปลงรูปร่างอย่างเฉพาะเจาะจง ซึ่งแบบจำลองดังกล่าวนี้ยังมีการพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ทำให้เห็นว่าไม่มีความจำเป็นที่จะต้องระบุถึงช่วงของการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง สิ่งที่น่าสนใจและมีความจำเป็นสำหรับการตรวจสอบกระบวนการของช่วงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างจากอนาเทสไปเป็น rutile ซึ่ง 2 สิ่งนี้สามารถพิสูจน์ได้โดยใช้ข้อเท็จจริงทางวิทยาศาสตร์ และเทคนิคที่ใช้ในการตรวจสอบผลการทดลอง

ใน rutile และอนาเทส ไอออน Ti^{4+} ที่อยู่ภายในศูนย์กลางโมเลกุล 8 เหลี่ยมของ Ti-O และถูกระบุพิกัดโดยออกซิเจน 6 ไอออน โดยเกิดจากแบ่งปันให้กลายเป็นโมเลกุล 8 เหลี่ยม โดยที่จะเกิด 2 ขอบ 6 มุม ใน rutile และ 4 ขอบ 4 มุม ในอนาเทส  เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น พลังงานความเครียดของผลึก และรูปร่าง 8 เหลี่ยมที่มีตำแหน่งผิดตำแหน่งไปจากเดิมของอนาเทสจะยิ่งเพิ่มมากขึ้น และความผิดปกติของผลึกอนาเทสประเภทนี้สนับสนุนให้เกิดการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างของ rutile ตามมา แต่ข้อมูลนี้สามารถบ่งชี้ได้เพียงเล็กน้อย ที่เกี่ยวข้องกับผลของพลังงานความเครียดระดับจุลภาค ในช่วงการเปลี่ยนแปลงรูปร่างจากอนาเทสไปเป็น rutile

ในการทดลองครั้งนี้ ช่วงของอนุภาคนาโนอนาเทสที่บริสุทธิ์ เตรียมได้ทำการไฮโดรไลซีส และช่วงของการเปลี่ยนแปลงรูปร่างวัดได้โดยการใช้ XRD ความสัมพันธ์ระหว่างช่วงของการเปลี่ยนแปลงรูปร่างและขนาดของผลึก ขนาดของการกระจาย และพลังงานความเครียดระดับจุลภาคของอนุภาคนาโนอนาเทส และ rutile แสดงได้ดังนี้

1. ช่วงของอนุภาคนาโนที่บริสุทธิ์ เตรียมได้โดยการทำไฮโดรไลซีสของสารละลาย TiCl_4 ที่อุณหภูมิ 368 เคลวิน

2. กระบวนการเปลี่ยนแปลงรูปร่างจากอนาเทสไปเป็น rutile สามารถแบ่งได้ 4 ขั้นตอน คือ 1) ขั้นที่อนาเทสมีความเสถียร (อุณหภูมิห้องจนถึง 723 เคลวิน) ในขั้นนี้ช่วงของอนาเทสจะมีความเสถียร และขนาดผลึกของอนุภาคนาโนอนาเทสส่วนใหญ่จะมีความคงที 2) ขั้นที่มีการเกิดขึ้นของอนาเทส (อุณหภูมิ 773 – 998 เคลวิน) ในขั้นนี้ตัวอย่างจะประกอบด้วยช่วงของอนาเทสเท่านั้น และขนาดของผลึกอนุภาคนาโนอนาเทสจะเพิ่มขึ้นอย่างช้าๆ อนุภาคอนาเทสจะมีการกระจายอย่างหนาแน่นเป็นบริเวณกว้าง และความเครียดระดับจุลภาคจะค่อยๆ เพิ่มขึ้น 3) ขั้นของการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง (อุณหภูมิ 1023 – 1073 เคลวิน) ในขั้นนี้ ตัวอย่างจะเป็นช่วงผลึกผสมระหว่างอนาเทส และ rutile ขนาดการกระจายตัวของอนุภาคนาโนอนาเทสจะเป็นบริเวณที่กว้างตั้งแต่อุณหภูมิ 1023 – 1048 เคลวิน และจะลดระดับลง เมื่อมีอุณหภูมิตั้งแต่ 1048 – 1073 เคลวิน ความเครียดระดับจุลภาคของอนุภาคนาโนอนาเทสจะลดลงจาก 1023 – 1073 เคลวิน และความเครียดระดับจุลภาคของอนุภาคนาโน rutile จะเพิ่มขึ้น เมื่อมีอุณหูมิตั้งแต่ 1048 – 1073 เคลวิน 4) ขั้นที่สามารถรับได้ (อุณหภูมิมากกว่า 1123 เคลวิน) ในขั้นนี้จะเกิดเป็น 3 ขั้นที่ต่อเนื่องกัน และตัวอย่างจะเป็นผลึกผสมที่มีช่วงของ rutile ที่มากกว่า

3. อัตราการแข่งขันสามารถระบุได้จากขนาดของการกระจาย และเส้นผ่านศูนย์กลางของอนุภาคนาโนอนาเทส ระหว่างที่มีการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ขนาดของการกระจายตัวของอนาเทส ส่งผลให้เกิดการแข่งขันระหว่างอัตราการเกิดอนาเทส และอัตรากการเปลี่ยนแปลงรูปร่างจากอนาเทสไปเป็น rutile เมื่ออัตราการเกิดขึ้นนี้เร็วกว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ขนาดของการกระจายตัวจะเป็นช่วงที่กว้าง และมีเส้นผ่านศูนย์กลางเฉลี่ยที่กว้างด้วยเช่นกัน เมื่ออัตราการเกิดขึ้นช้ากว่าอัตราการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง ส่งผลให้ขนาดของการกระจายตัวจะเป็นช่วงที่แคบ และมีเส้นผ่านศูนย์กลางที่เล็กลงด้วยเช่นกัน

4. ระหว่างช่วงกระบวนการเปลี่ยนแปลงรูปร่างนั้น ความเครียดระดับจุลภาคสามารถระบุได้จากอัตราการเกิดขึ้นของอนาเทส และการเปลี่ยนแปลงรูปร่าง เมื่อความเครียดระดับจุลภาคของอนุภาคนาโนอนาเทสมีค่ามากกว่าอนุภาคนาโน rutile อัตราการเกิดขึ้นของอนาเทสจะเร็วกว่าการเปลี่ยนแปลงรูปร่างจากอนาเทสไปเป็น rutile และเมื่อความเครียดระดับจุลภาคของอนุภาคนาโนอนาเทสมีค่าน้อยกว่าอนุภาคนาโน rutile อัตราการเกิดขึ้นของอนาเทสจะช้ากว่าการเปลี่ยนแปลงรูปร่างจากอนาเทสไปเป็น rutile

————————-

doi:10.1016/S1003-6326(08)60083-7

ใส่ความเห็น

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / เปลี่ยนแปลง )

Connecting to %s