بررسی رشد و انعقاد نانوذرات تیتانیم دی‌اکسید در فرایند تولید از طریق سنتز شیمیایی از فاز بخار

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 باشگاه پژوهشگران جوان، دانشگاه آزاد اسلامی واحد ساوه، صندوق پستی: 366-39187، ساوه - ایران

2 گروه مواد پیشرفته، پژوهشکده مواد، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 498-31485، کرج- ایران

3 دانشکده مهندسی و فن‌آوری‌های نوین، دانشگاه صنایع و معادن ایران، صندوق پستی: 518-14395، تهران- ایران

4 دانشکده مهندسی و علم مواد، پژوهشکده علوم و فن‌آوری نانو، دانشگاه صنعتی شریف، صندوق پستی: 946-11365، تهران- ایران

چکیده

در این مقاله تولید نانوذرات تیتانیم دی‌اکسید (2(TiO با استفاده از اکسایش تیتانیم تتراکلرید (4TiCl) در دمای 800 درجه‌ی سانتی‌گراد و در رآکتور دیواره- گرم از طریق سنتز شیمیایی از فاز بخار مورد بررسی قرار می‌گیرد. اثر دما و غلظت ماده‌ی اولیه و هم‌چنین اثر آب بر روی اندازه و تعداد ذرات، بلورینگی، تبدیل فاز و خلوص نانوذرات از طریق تجزیه‌های عنصری با استفاده از تکنیک‌های XRD، TEM و TG-DTA بررسی شد. نتایج به دست آمده نشان داد که اندازه و تعداد ذرات با افزایش غلظت ماده‌ی اولیه افزایش می‌یابد به طوری که می‌توان اندازه‌ی اولیه‌ی نانوذرات را با تغییر عوامل کنترل کرد. نتایج هم‌چنین نشان دادند که استفاده از آب موجب کاهش چشمگیر اندازه‌ی ذرات و ارتقاء درجه‌ی بلورینگی می‌شود. در تمامی نتایج، فاز بلوری به دست آمده آناتاز بود و هیچ گونه استحاله و هم‌چنین ناخالصی در نانوذرات تیتانیم دی‌اکسید به دست آمده مشاهده نشد. از نانوذرات تیتانیم دی‌اکسید در تهیه‌ی نانوسیال استفاده می‌شود که این نانوسیال در افزایش راندمان و ایمنی رآکتورهای هسته‌ای به کار گرفته می‌شوند. از آن جایی که ویژگی‌های نانوذرات تیتانیم دی‌اکسید بر خواص نانوسیال تأثیر به سزایی دارد، ‌در این مقاله به مطالعه آن پرداخته شده است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

The Study of Growth and Coagulation of Titania Nanoparticles by Chemical Vapor Synthesis

نویسندگان [English]

  • M Rahiminezhad-Soltani 1
  • K Saberyan 2
  • F Shari 3
  • A Simchi 4
چکیده [English]

Chemical Vapor Synthesis (CVS) route was used for synthesis of titanium dioxide (TiO2) nanoparticles in hot-walled reactor at 800°C using TiCl4 as precursor. The effect of processing parameters e.g., temperature and amount of precursor on phase structure, size, purity, coagulation and agglomeration of nanoparticles were investigated in this respect. Also, the H2O effects on the size, crystallinity, phase transformation and purity of nanoparticles were studied. Comprehensive experimental observations were confirmed by transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction analysis and TG-DTA results. The obtained results showed that by increasing the precursor amount and temperature, no phase transformation can be observed but the size, coagulation and agglomeration of titania nanoparticles increase. Also, the results showed that by introducing water vapor, the average particle sizes decrease saliently and no phase transformation and impurity were observed. Titanium dioxide nanoparticles can be used for synthesis of nanofluids. Nanofluids (nano-TiO+­water) as a cooling agent can be used for the enhanced economy and safety of the nuclear reactors.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Nanoparticles
  • Titanium Dioxide
  • Chemical Vapor Synthesis
  • Nanofluids
  1. 1.    K. Nakaso, K. Okuyama, M. Shimada, S.E. Pratsinis, “Effect of reaction temperature on CVD-made TiO2 primary particle diameter,” Chem. Eng. Sci, 58, 3327–3335 (2003).

 

  1. 2.    C.S. Kim, K. Nakaso, B. Xia, K. Okuyama, M. Shimada, “A new observation on the phase transformation of TiO2 nanoparticles produced by a CVD method,” Aerosol Sci. Technol, 39, 104-112 (2005).

 

  1. 3.    Y. Sun, A. Li, M. Qi, L. Zhang, X. Yao, “High surface area anatase titania nanoparticles prepared by MOCVD,” Materials Sci. & Eng. B, 86, 185–188 (2001).

 

  1. 4.    B. Xia, H. Huang, Y. Xie, “Heat treatment on TiO2 nanoparticles prepared by vapor-phase hydrolysis,” Materials Sci. & Eng. B, 57, 150–154 (1999).

 

  1. 5.    Y. Hu, H.L. Tsai, C.L. Huang, “Phase transformation of precipitated TiO2 nanoparticles,” Materials Sci. & Eng. A, 344, 209-214 (2003).

 

  1. 6.    V.A. Yasir, P.N. Mohandas, K.K.M. Yusuff, “Preparation of high surface area TiO2 (anatase) by thermal hydrolysis of titanyl sulphate solution,” Int. J. Inorg. Mater, 3, 593–596 (2001).

 

  1. 7.    A.D. Paola, G. Cufalo, M. Addamo, M. Bellardita, R. Campostrini, M. Ischia, R. Ceccato, L. Palmisano, “Photocatalytic activity of nanocrystalline TiO2 (brookite, rutile and brookite-based) powders prepared by thermohydrolysis of TiCl4 in aqueous chloride solutions,” Colloid Surface A, 317, 366-376 (2008).

 

  1. 8.    C.S. Kim, K. Okuyama, K. Nakaso, M. Shimada, “Direct measurement of nucleation and growth modes in titania nanoparticles generation by a CVD method,” J. Chem. Eng. Japan, 37, 1379–1389 (2004).

 

  1. 9.    H. Zhao, X. Liu, S.D. Tse, “Effects of pressure and precursor loading in the flame synthesis of titania nanoparticles,” J. Aerosol Sci., 40, Issue 11, 919-937 (2009).

 

10. L. Mao, Q. Li, H. Dang, Z. Zhang, “Synthesis of nanocrystalline TiO2 with high photoactivity and large specific surface area by sol–gel method,” Mater. Res. Bull. 40, 2, 201-208 (2005).

11. H.D. Jang, J. Jeong, “The effect of temperature on particle size in gas-phase production of TiO2,” Aerosol Sci. Technol, 23, 553–560 (1995).

 

12. I. Ahmad, S.S. Bhattacharya, “Effect of process parameters on the chemical vapour synthesis of nanocrystalline titania,” J. Phys. D: Appl. Phys, 41, 155313-155320 (2008).

 

13. K.K. Akurati, S.S. Bhattacharya, M. Winterer, H. Hahn, “Synthesis, characterization and sintering of nanocrystalline Titania powders produced by chemical vapour synthesis,” J. Phys. D: Appl. Phys, 39, 2248-2259 (2006).

 

14. S. Seifried, M. Winterer, H. Hahn, “Nanocrystalline titania films and particles by chemical vapor synthesis,” Chem. Vapor Depos, 6, 239-244 (2000).

 

15. S. Klein, M. Winterer, H. Hahn, “Reduced-pressure chemical vapor synthesis of nanocrystalline silicon carbide powders,”Chem. Vapor Depos, 4, 143-149 (1998).

 

16. M.L. Hitchman, J. Zhao, “The LPCVD of rutile at low temperature,” J. Phys. IV, 9, 357-364 (1999).

 

17. A. Kobata, K. Kusakabe, S. Marooka, “Growth and transformation of TiO2 crystallites in aerosol reactor,” AIChE. J. 37, 347-359 (1991).

 

18. K. Nakaso, T. Fujimoto, T. Seto, M. Shimada, K. Okuyama, M.M. Lunden, “Size distribution change of titania nano-particle agglomerates generated by gas phase reaction, agglomeration, and sintering,” Aerosol Sci. Technol, 35, 929-947 (2001).

 

19. J.H. Yu, J.S. Lee, K.H. Ahn, “In situ characterization of TiO2 nanoparticle in chemical vapor condensation reactor,” Scr. Mater, 44, 2213-2217 (2001).

 

20. S.E. Pratsinis, H. Bai, P. Biswas, M. Frenklach, S.V.R. Mastrangelo, “Kinetics of titanium[IV] chloride oxidation,” J. Am. Ceram. Soc, 73, 2158–2162 (1990).

 

21. B.D. Cullity, “Elements of X-ray diffraction, second edition,” Addison-Wesley Publishing Company Press, Massachusetts, United States (1978).