مدل‌های سینتیکی برای تبدیل‌های فازی حالت جامد نانوذرات TiO2

محورهای موضوعی : شیمی تجزیه

رحمت الله شکیبانیا ¹ , محمد رضا قاسمی ² , علی حکمت ناظمی ³

1 - کارشناس ارشد مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال، تهران، ایران
2 - استادیار مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال، تهران، ایران
3 - استادیار مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه آزاد اسلامی، واحد تهران شمال، تهران، ایران

تاریخ دریافت : 1391/09/01 تاریخ پذیرش : 1391/11/01 تاریخ انتشار : 1391/12/01

کلید واژه: روتیل, مدل سینتیکی, آمورف, بلورینگی, پُلی مورف, آناتاز, بروکیت,

چکیده مقاله :

در این مقاله، تبدیل‌های فازی حالت جامد نانوذرات تیتانیا در شرایط گرمادهی متفاوت توسط مدل‌های سینتیکی متفاوت بررسی شده است. میزان تطابق مدل‌های سینتیکی ارایه شده، که شامل ترکیبی از مدل هسته‌زایی و رشد هستند، با داده‌های تجربی تبدیل فاز جامد (آمورف و یا بلوری) به فازهای دیگر بلوری تیتانیا با اندازه‌های نانو در شرایط عملیاتی گرمادهی خشک و نیز در محلول بررسی شده‌اند. نتیجه‌ها نشان می‌دهند که مدل‌های ارایه شده در این مقاله بنا به شرایط فرایند، قادر به تفسیر رفتارهای تبدیل سینتیکی میان پُلی مورف‌های متفاوت تیتانیا هستند. نتیجه‌ها نشان می‌دهند که مکانیسم هسته‌زایی فاز آناتاز در تبدیل فازی در محلول، از نوع هسته‌زایی سطح1، است و در شرایط گرمادهی خشک در گستره دمایی 300 تا 400 درجه ی سانتی گراد، چنانچه فازهای در حال تبدیل تفاوت‌های ساختاری قابل توجهی نداشته باشند، مکانیسم هسته‌زایی ترکیبی فصل مشترک و سطح2 است. در تبدیل نانوبلورهای آناتاز به روتیل در گستره دماهای پایین‌تر از 600درجه ی سانتی گراد که توسط پژوهشگران فرض شده است که تبدیل تنها با حضور هسته‌زایی فصل مشترک رخ می‌دهد، نتیجه‌ها نشان می‌دهند هسته‌زایی سطحی نیز به علت رشد ذرات به سبب گرمادهی برای مدت زمان‌های طولانی، می‌تواند نقش مهمی در سینتیک تبدیل فازی داشته باشد. از مهم‌ترین مزیتِ این مدل‌ها در مقایسه با مدل‌های مشابه، می‌توان به عدم نیاز به داده‌های تجربی اندازه ذرات در طی آزمایش‌های سینتیکی برای تفسیر تبدیل‌های فازی در مقیاس نانو اشاره کرد.

منابع و مأخذ:

[1] Banfield, J. F.; Veblen, D. R.; American Mineralogist; 77, 545-557; 1992.
[2] Yin, H.; Wada, Y.; Kitamura, T.; Kambe, S.; Murasawa, S.; Mori, H.; Sakata, T.; Yanagida, S.; J. Mater. Chem.; 11, 1694–1703; 2001.
[3] Gao, L.; Zhang, Q.; Scripta mater.; 44, 1195-1198, 2001.
[4] Yin, S.; Inoue, Y.; Uchida, S.; Fujishiro, Y.; Sato, T.; J. Mater. Res.; 13, 844-847; 1998.
[5] Ohtani, B.; Ogawa, Y.; Nishimoto, S.; J. Phys. Chem. B.; 101, 3746-3752; 1997.
[6] Zou, J.; Gao, J.; Xie, F.; J. of Alloys and compounds; 497, 420-427; 2010.
[7] Coronado, D. R.; Gattorno1, G. R.; Pesqueira, M. E.; Cab, C.; Coss, R.; Oskam, G.; Nanotechnology; 19, 145605-145615; 2008.
[8] Jiang, B.; Yin, H.; Jiang, T.; Jiang, Y.; Feng, H.; Chena, K.; Zhoub, W.; Wada, Y.; Materials Chemistry and Physics; 98, 231–235; 2006.
[9] Yanagisawa, K.; Ovenstone, J.; J. Phys. Chem. B; 103, 7781-7787; 1999.
[10] Shivaraju, H. P.; Byrappa, K.; Vijay Kumar, T. M. S.; Ranganathaiah, C.; Bulletin of the Catalysis Society of India; 9, 37- 50; 2010.
[11] Malinger, K. A.; Maguer, A.; Thorel, A.; Gaunand, A.; Hochepied, J. F.; Chemical Engineering Journal; 174, 445–451; 2011.
[12] Zhang, H.; Finnegan, M.; Banfield, J. F.; Nano Lett.; 1, 81-85; 2001.
[13] Matthews, A.; American Mineralogist; 61, 419-424; 1976.
[14] Finnegan, M. P.; Zhang, H.; Banfield, J. F.;J. Phys. Chem.C; 111, 1962-1968; 2007.
[15] Ovenstone, J.; Yanagisawa, K.; Chem. Mater.; 11, 2770-2774; 1999.
[16] Zumeta, I.; Diaz, D.; Santiago, P.; J. Phys. Chem. C; 114, 11381–11389; 2010.

[17] Shannon, R. D.; Pask, J. A.; Journal of The American Ceramic Society; 48, 391-398; 1965.
[18] Gribb, A. A.; Banfield, J. F.; American Mineralogist; 82, 717–728; 1997.
[19] Zhang, H.; Banfield, J. F.; J. Mater. Chem.; 8, 2073–2076; 1998.
[20] Zhang, H.; Banfield, J. F.;J. Phys. Chem. B; 104, 3481-3487; 2000.
[21] Gennari, F. C.; Pasquevich, D. M.; J. of Materials Science; 33, 1571-1578; 1998.
[22] Zhang, H.; Banfield, J. F.; American Mineralogist; 84, 528–535; 1999.
[23] Zhang, H.; Banfield, J. F.; J. Mater. Res.; 15, 437-448; 2000.
[24] Madras, G.; McCoy, B. J.; J. Colloid Interface Sci.; 261, 423–33; 2003.
[25] Madras, G.; McCoy, B. J.; J. Chem. Phys.; 117, 6607-6613; 2002.
[26] Madras, G.; McCoy, B. J.; J. Chem. Phys.; 115, 6699-6706; 2001.
[27] Finnegan, M. P.; Zhang, H.; Banfield, J. F.; Chem. Mater.; 20,3443–3449; 2008.
[28] Zhang, J.; Huang, F.; Lin, Z.; Nanoscale; 2, 18–34; 2010.
[29] Gilbert, B.; Zhang, H.; Huang, F.; Finnegan, M. P.; Waychunas, G. A.; Banfield, J. F.; Geochem. Trans.; 4, 20–27; 2003.
[30] Penn, R. L.; Banfield, J. F.; American Mineralogist; 83, 1077–1082; 1998.
[31] Huang, F.; Zhang, H.; Banfield, J. F.; Nano Lett.; 3, 373-378; 2003.
[32] Zhan, H.; Yang, X.; Wang, C.; Liang, C.; Wu, M.; J. Phys. Chem. C; 114, 14461–14466; 2010.
[33] Lu, K.; Materials Science and Engineering, 16, 161–221, 1996.
[34] Inoue, Y.; Yin, S.; Uchida, S.; Fujishiro, Y.; Ishitsuka, M.; Min, E.; Sato, T.; British Ceramic Transactions; 97, 222-226 ;1998.
[35] Zhang, H.; Banfield, J. F.; Chem. Mater.; 14, 4145-4154; 2002.
[36] Zhang, H.; Banfield, J. F.; PHYSICAL REVIEW B; 78, 214106-214118, 2008.
[37] Madras, G.; McCoy, B. J.; Crystal Growth & Design; 7, 250-253; 2007.
[38] Zhang, H.; Banfield, J. F.; J. Phys. Chem. C; 111, 6621-6629; 2007.