[論文レビュー] Review on Titania Nanopowder- Processing and Applications

T. Theivasanthi|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2017

Nanotechnology research and applications被引用数 7

ひとこと要約

本レビューでは、粒子径、結晶性、相の制御に寄与する低コストで非毒性な方法としての機械的ミリングによるTiO2ナノ粉末の合成を検討し、光触媒、水分解、環境浄化への応用を強調している。ミリング時間（0–60時間）が材料の特性と性能に顕著な影響を与える。

ABSTRACT

This review work focuses on the milling process of titania (TiO2) nanopowder. TiO2 is a naturally available material. It is an inorganic semi-conducting oxide of titanium metal. Titanium oxide, titanium dioxide, and titanium (IV) oxide are the other names. TiO2 nanopowder is one of the well-known synthetic materials in the modern nanotechnology field. It has many interesting, lucrative and salient properties. These characters are attracting the researchers towards to exploit this material in variety of applications from energy to environmental. It is a highly sensitive and excellent photo-catalyst material. So, it can be used in gas sensors, in water splitting to generate hydrogen, and in waste water treatment to degrade the organic pollutants. It is soluble in ethanol, ethylene glycol and chloroform. TiO2 nanopowder is prepared by many methods such as sol-gel method, chemical vapour deposition, hydro-thermal, micro-emulsion etc. However, low cost and large scale synthesis of nanoparticles for commercial applications are the major challenges in the present day scenario. Mechanical milling is a simple method to prepare nanopowder where milling time plays very important role. The milling time may vary from 0 to 60 hour. The crystallinity, phase, size, shape and surface features are some of the factors affected by the milling process. For the preparation of TiO2 nanomaterial, the mechanical milling is more advantageous than other methods. It is a low cost, non toxic method which offers high chemical stability. The finely grinded TiO2 nano powder offers shiny surface and brilliant colours. Milling of TiO2 is done for size reduction. Doping of TiO2 is done to improve the efficiencies and to minimize drawbacks.

研究の動機と目的

• 機械的ミリングをTiO2ナノ粉末合成のスケーラブルでコスト効率の良い手法として評価すること。
• ミリング時間（0–60時間）が粒子径、結晶性、相、表面特性に与える影響を分析すること。
• TiO2ナノ粉末の光触媒、環境浄化、エネルギー技術分野における応用可能性をレビューすること。
• 純TiO2の限界を克服し、光触媒効率を向上させるためのドーピング戦略を評価すること。
• コストとスケーラビリティの観点から、機械的ミリングと他の合成法（ソルゲル法、CVD、水熱的プロセス）を比較すること。

提案手法

• 主な合成法として機械的ミリングが用いられ、ミリング時間を0～60時間の範囲で系統的に変化させた。
• 高エネルギーボールミリングにより粒子径の低減が達成され、比表面積と反応性に直接影響を与える。
• 結晶性と相変化はミリング時間の関数としてモニタリングされ、光触媒性能に影響を与える。
• 構造的変化と機能的特性の相関を求めるために、表面特性と表面形態が分析された。
• TiO2における可視光応答の向上と電子・正孔再結合の低減を目的としたドーピング戦略がレビューされた。
• コスト、スケーラビリティ、環境影響の観点から、機械的ミリングと代替手法（ソルゲル法、CVD、水熱的プロセス）の比較分析が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリング時間（0–60時間）がTiO2ナノ粉末の結晶性、相、粒子径、表面形態にどのように影響を与えるか？
• RQ2 コストとスケーラビリティの観点から、機械的ミリングがソルゲル法や水熱的プロセスなど他の合成法に比べて持つ利点は何か？
• RQ3 ドーピングがTiO2ナノ粉末の光触媒効率とバンドギャップにどのように影響を与えるか？
• RQ4 環境およびエネルギー応用におけるTiO2の性能を決定づける主な構造的および表面特性は何か？
• RQ5 なぜ機械的ミリングは大規模なTiO2ナノ粉末生産において非毒性で化学的に安定な手法とされるのか？

主な発見

• 機械的ミリングは粒子径の低減と比表面積の増大を効果的に実現し、光触媒活性の向上に寄与する。
• ミリング時間0～60時間の範囲で、TiO2ナノ粉末の相組成と結晶性に顕著な影響が見られた。
• 低コストで非毒性であり、工業的応用に向けた高い化学的安定性とスケーラビリティを有することが同定された。
• TiO2のドーピングは、広いバンドギャップや迅速な電荷再結合といった固有の制限要因を緩和し、効率を向上させることを示した。
• TiO2ナノ粉末はエタノール、エチレングリコール、クロロホルムに溶解性を示し、機能性材料の多様なプロセシングを可能にする。
• 機械的ミリングにより、光沢のある表面と鮮やかな色を有するTiO2が得られ、表面品質が高く、光学的応用への可能性を示している。