Mikrokiteinen titaanidioksidi
Mikrokiteinen titaanidioksidi on kemiallisesti samaa titaanidioksidia (TiO2) kuin valkoinen titaanidioksidipigmentti. Mikrokiteisellä titaanidioksidilla on erilaisia ominaisuuksia.
Ominaisuudet ja käyttö
muokkaaMikrokiteisen titaanidioksidin kidekoko on alle 100 nanometriä. Se ei anna maalille valkoista väriä vaan on läpinäkyvää. Mikrokiteinen titaanidioksidi absorboi ja heijastaa ultraviolettisäteilyä (UV). UV suoja-aineena käytettävät 10–50 nanometrin kokoiset kiteet on pinnoitettu sopivilla yhdisteillä, jotta kiteiden fotoaktiivisuus jäisi hyvin pieneksi[1]. Aurinkovoiteisiin saadaan sekä UVA että UVB suojaus pinnoitetun mikrokiteisen titaanidioksidin avulla. Tuote on tullut markkinoille 1990-luvun alussa. Mikrokiteinen titaanidioksidi on tehokas UV-suoja-aine ja se on paljolti korvannut oksibentsoaatteja ja oksinoksaatteja, joilla on haitallisia vaikutuksia ihmisille ja ympäristölle.[2] Mikrokiteinen titaanidioksidi on turvallista iholla eikä imeydy kudoksiin.[3]
Kosmetiikan lisäksi pinnoitettua titaanidioksidia käytetään hyväksi UV-suojaa tarvitsevissa kohteissa kuten puulakoissa hidastamaan puun kellastumista auringon valossa tai muoveissa. Tuote soveltuu myös erittäin hyvin ns. metalliefektimaaleihin, joissa ne muuttavat valon heijastusominaisuuksia ja tarjoavat mm. automaalivalmistajille lisää mahdollisuuksia eri värisävyjen vaihtoehtoihin[4].
Kidekoon vaikutus ulottuu muuhunkin kuin TiO2:n peittävyyteen. TiO2 on puolijohde eli sen elektronivyörakenteessa on kohtuullisen kokoinen elektroneilta kielletty energia-alue, jota kutsutaan energia-aukoksi.[5] Energia-aukon alareunana on miehitetyn valenssivyön yläreuna ja yläreunana miehittämättömän johtavuusvyön alareuna. Tämän aukon koko kasvaa kiteiden pienetessä ja kiteen absorboiman valon aallonpituus pienenee, aallonpituuden ja energian suhtautuessa kääntäen verrannollisesti toisiinsa. Valon vaikutuksesta miehitetyllä valenssivyöllä olevat elektronit virittyvät tyhjälle johtavuusvyölle. Tämän tuloksena TiO2:n pinnalle syntyy aukkoja ja elektroneja. Säteilytetty titaanidioksidi muodostaa vedestä ja hapesta voimakkaasti hapettavia aktiivisia happityyppejä, jotka aiheuttavat yhdisteiden hajoamisreaktioita[6]. Syntyvät radikaalit, joilla on parittomia elektroneja, hapettavat ja pelkistävät pinnalle absorboituneita molekyylejä ketjureaktioissa edelleen. Lopulta orgaaninen aine hajoaa hiilidioksidiksi ja vedeksi. Titaanidioksidin fotokatalyysin kautta avautuu mahdollisuuksia hajottaa ympäristömyrkkyjä ja haitallisia mikro-organismeja sekä puhdistaa ilmaa ja vettä.[7]
Fotokatalyysillä tarkoitetaan kemiallisia reaktioita, jotka tapahtuvat fotokatalyytin pinnalla tai sen läheisyydessä sen absorboidessa valoa. Valoenergian avulla fotokatalyytti saa hitaan reaktion tapahtumaan merkittävästi nopeammin. Itse fotokatalyytti pysyy koko ajan muuttumattomana. Ominaisuuksiltaan paras ja eniten tutkittu fotokatalyyttinen materiaali on titaanidioksidi. UV-säteily on näkyvää valoa energisempää ja fotokatalyytit toimivat yleensä UV-säteilyn vaikutuksesta[8]. Yleisemmän näkyvän valon alueella (>400 nm) toimivia katalyyttejä kehitetään ja TiO2:n energia-aukon kokoa ja sijaintia pyritään muokkaamaan lisäämällä rakenteeseen epäpuhtauksia[9].
Valmistus
muokkaaMikrokiteinen titaanidioksidi voi olla kiderakenteeltaan joko anataasia tai rutiilia. Rutiilimuotoa käytetään aurinkovoiteissa ja anataasia fotokatalyyttinä. Anataasimuotoista mikrokiteistä titaanidioksidia saadaan valmistettu kaasufaasilla titaanitetrakloridista (TiCl4). Rutiilia saadaan saostusmenetelmällä titaanipitoisesta liuoksesta. Jauhamalla pigmentääristä titaanidioksidia ei pystytä valmistamaan mikrokiteistä titaanidioksidia vaan se on valmistettava erikseen.[10]
Mikrokiteistä titaanidioksidipintaa voidaan rakentaa myös atomikerroskasvatuksella.[11]
Tutkimus
muokkaaTulevaisuudessa titaanidioksidinanoputki (pituus esim. 500 nm) toimii superherkkänä vetysensorina. Uudet kiteiset vain joidenkin nanometrien levyiset TiO2-putket muuttuvat sähköä johtaviksi vedyn vaikutuksesta ja ”haistavat” vedyn herkästi. [12] Biologiset sovellutukset[13] solujen ja titaanidioksidi nanoputkien väillä kestävät vielä pitkään, mutta tiedetään että nanoputkien muodolla on merkitystä[14].
TiO2 on mukana energiasovellusten tutkimuksissa, materiaalitutkimuksissa ja monessa muussa tutkimuksessa, sillä mikrokiteinen TiO2 on puolijohde ja kemiallisesti stabiili. Käyttökohteita nähdään elektroniikassa kondensaattorina, ilman puhdistuksessa, desinfioinnissa, itsepuhdistuvissa sovelluksissa, antibakteerissa paperissa, aurinkokennoissa,[4]
Lähteet
muokkaa- ↑ Karvinen, S.: Method of preparing titanium dioxide. US5443811A, 1995.
- ↑ Dan, Yongbo et al.: Measurement of Titanium Dioxide Nanoparticles in Sunscreen using Single Particle ICP-MS. perkinelmer.com, Määritä ajankohta!
- ↑ EU_terveys_tiede_komiteat ec.europa.eu.
- ↑ a b Titanium dioxide nanoparticles. NANOTECHMAG vol 29, 5-9, 2014. FUTURE MARKETS, INC..
- ↑ Karvinen, S., Hirva P., Pakkanen, T.A.: Ab initio quantum chemical studies of cluster models for doped anatase and rutile TiO2. J. Mol. Struct. (Theochem) 626, 271-277, 2003.
- ↑ Karvinen, S.: The effect of trace element doping on the optical properties and photocatalytic activity of nanostructured titanium dioxide. Ind.Eng.Chem.Res. 42 1035-1043, 2003.
- ↑ Hanaor, Dorian A. H.; Sorrell, Charles C.: Sand Supported Mixed-Phase TiO2 Photocatalysts for Water Decontamination Applications. Advanced Engineering Materials. 16 (2): 248–254, 2014.
- ↑ Karvinen, S.; Lamminmäki, R-J: Preparation and characterization of mesoporous visible- light-active anatase. Solid state Science 5, 1159, 2003.
- ↑ Karvinen, S.: The effects of trace elemenmts on the Crystal properties of TiO2. Solid State Science 5 811-819, 2003.
- ↑ Byranvanda, M. Malekshahi et al.: A Review on Synthesis of Nano-TiO2 via Different Methods. JNS Nanostructures 1-9, 2013.
- ↑ Brown, S.; Howe, J.Y.; Ma, Z.;: Surface Modification of Au/TiO2 Catalysts by SiO2 via Atomic Layer Deposition. The Journal of Physical Chemistry C. 112 (25): 9448–9457, 2008.
- ↑ Yuan, Zhong-Yong and Su, Bao-Lian: Titanium oxide nanotubes, nanofibers and nanowires. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 173-183, 2004.
- ↑ Yu Fu and Anchun Mo: A Review on the Electrochemically Self-organized Titania Nanotube Arrays: Synthesis, Modifications, and Biomedical Applications. Nanoscale Res Lett. 13: 187., 2018.
- ↑ Purniawan, A.; French, P.J.; Pandraud, G.; Sarro, P.M.: TiO2 ALD nanolayer as evanescent waveguide for biomedical sensor applications. Procedia Engineering. 5: 1131–1135., 2010.