Trong tự nhiên TiO2 tồn tại ở dạng hợp chất. Ví dụ anatase được tìm thấy trong các khoáng cùng với rutile, brookite, quarzt, feldspars, apatile, hematile, chlorite, micas, calcite…Pha anatase tồn tại ở nhiệt độ thấp, khoảng 400oC. Ở nhiệt độ khoảng 600o
C TiO2 có thể tồn tại ở hai pha là anatase và rutile. Ở nhiệt độ cao khoảng 900oC TiO2 tồn tại ở pha rutile bền. Tinh thể anatase thường có màu nâu sẫm, đôi khi có màu vàng hoặc xanh, có độ sáng bóng như tinh thể kim loại, tuy nhiên lại rất dễ bị rỗ bề mặt, các vết xước có màu trắng. Anatase có khả năng quang xúc tác lớn nhất trong ba dạng thù hình nên nó thu hút sự chú ý của rất nhiều nhà khoa học trong những năm gần đây. Vì vậy pha anatase thường được sử dụng cho khả năng quang xúc tác của màng TiO2.
TiO2 là chất trơ về mặt hóa học và sinh học, do đó mà một lượng dư TiO2 còn lại sau quá trình xử lí các chất gây ô nhiễm môi trường không có tác động xấu tới sinh quyển và sức khỏe của con người cũng như các hệ sinh vật. TiO2 bền, không bị ăn mòn quang học và hóa học, do dó sử dụng mang hiệu quả cao. Một số thông số vật lý của TiO2 thể hiện ở bảng 1.1:
Bảng 1.1. Một số tính chất vật lý của tinh thể TiO2 [2]
Tính chất Anatase Rutile
Hệ tinh thể Tetragonal Tetragonal
Nhóm không gian I41/amd P42/mnm
26
Hằng số mạng c 9,49A0 2,95A0
Khối lượng riêng 3,895g/cm3 4,25g/cm3
Chiết suất 2,52 2,71 Độ cứng (thang Mox) 5,5 6,0 6,0 7,0 Hằng số điện môi tĩnh 31 114 Độ rộng vùng cấm ( nhiệt độ phòng ) 3,25 eV 3,05 eV
Nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ cao chuyển thành Rutile
18580C
Chính bởi những tính chất đó mà TiO2 trở thành vật liệu rất được quan tâm trên thế giới với nhiều ứng dụng khác nhau. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của TiO2.
* Chất nhuộm (pigment)
Như thể hiện trong bảng 1.1, trong tất cả các dạng thù hình của TiO2 thì anatase là dạng thù hình có chiết suất cao (trung bình n = 2,5) [18]. Điều này dẫn đến sự phản xạ từ bề mặt cao. Vì vậy khi TiO2 có cấu tạo là một lớp màng mỏng thì chiết suất và màu sắc làm cho nó trở thành một lớp phản xạ quang học tốt nhất và ứng dụng làm lớp phủ trên gương lưỡng cực điện. Bột từ TiO2 được sử dụng như chất nhuộm trong sơn, mực, nhựa, giấy, sợi tổng hợp, cao su, màu vẽ và bút chì màu, gốm sứ, linh kiện điện tử, màu bánh kẹo, men trái cây, màu của sữa tách kem và bột, mỹ phẩm, sữa thuộc da công nghiệp và kem đánh răng. Đây là chất nhuộm quan trọng nhất trên thế giới, chiếm khoảng 70% về số lượng [7].
* Quang xúc tác
Hiệu ứng quang xúc tác trong TiO2 đã thu hút sự quan tâm đáng kể trong thập kỷ qua. TiO2 hấp thụ các chất phản ứng trên bề mặt của nó, với năng lượng cung cấp từ bức xạ điện từ (photons). TiO2 tạo điều kiện cho phản ứng giữa các chất phản ứng hấp thụ. Tính quang xúc tác của TiO2 được ứng dụng nhiều trong việc cải thiện môi trường, cụ thể:
27
- Thanh lọc không khí: TiO2 thúc đẩy quá trình oxi hóa ở nhiệt độ phòng của các chất gây ô nhiễm không khí. Nó tạo ra quá trình oxi hóa của các kim loại hoạt động mạnh. Các hạt TiO2 làm sạch không khí bằng cách loại trừ và phân hủy các chất bẩn trong không khí.
- Xử lý nước: Nhiều hợp chất hữu cơ bị phân hủy trong nước khi có mặt của bột TiO2 khi được chiếu sáng bởi tia cực tím có lợi ích trong quá trình làm sạch nước từ các chất hữu cơ và các chất gây ô nhiễm không mong muốn.
- Tự làm sạch bề mặt: Một ứng dụng của TiO2 là khả năng tự làm sạch kính. Công nghệ này đã phát triển ở Nhật Bản, đang lan tới dần Mỹ và Canada. Kỹ thuật này sử dụng một lớp màng mỏng TiO2 tráng lên khung cửa kính để làm giảm các bụi bẩn trên khung cửa kính đó. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng vật liệu TiO2 với khả năng phá vỡ chất hữu cơ có trong bụi bẩn bằng cách sử dụng năng lượng tia cực tím từ mặt trời, và từ đó bụi bẩn dễ dàng bị cuốn trôi đi. Mặt khác do TiO2 có đặc tính ưa nước, nên cho phép nước lây lan đồng đều hơn trên bề mặt khung kính.
* Ứng dụng trong pin mặt trời nhạy sáng
Một ứng dụng quan trọng không thể thiếu của TiO2 là chất hỗ trợ cho các phân tử chất màu trong DSSC. Cấu trúc và cơ chế hoạt động của DSSC đã được đề cập trong phần trước. Sự có mặt của TiO2 giúp cho các điện tử di chuyển dễ dàng và từ đó làm tăng hiệu suất của pin mặt trời [8,20].
Bên cạnh đó, TiO2 còn nhiều các ứng dụng khác như phân cắt protein có chứa các axit amino proline, phương tiện lưu trữ dữ liệu điện tử, kem chống nắng có khả năng hấp thụ tia cực tím và nhiều ứng dụng khác. Do khả năng ứng dụng rộng rãi của TiO2 nên chúng được coi là một vật liệu rất quan trọng trong nghiên cứu cũng như trong công nghiệp. Hình 1.11 mô tả ứng dụng của TiO2 trên thế giới năm 2007.
28
Hình 1.11: Biểu đồ mô tả ứng dụng của TiO2 trên thế giới năm 2007 [2].