Anatase

Anatase je jednou ze tří primárních minerálních forem titan oxid (TiO2), další dva jsou rutile a brookit. Je to tetragonální minerál a polymorf TiO2, což znamená, že má stejné chemické složení jako rutil, ale má odlišnou krystalovou strukturu. Anatase je pojmenován podle řeckého slova „anatasis“, což znamená prodloužení, ve vztahu k jeho delším krystalovým osám ve srovnání s osami rutilu.

Chemické složení: Chemické složení anatasu je reprezentováno vzorcem TiO2, což naznačuje, že se skládá z jednoho atomu titanu (Ti) vázaného na dva atomy kyslíku (O). Toto složení je stejné jako rutil, ale uspořádání atomů v krystalové mřížce se liší, což vede k odlišným fyzikálním vlastnostem.

Krystalická struktura: Anatase má tetragonální krystalovou strukturu, což znamená, že jeho základní buňka má čtyři strany a je vyšší než široká. Krystalová mřížka anatasu je charakterizována zkreslenou oktaedrickou koordinační geometrií kolem každého atomu titanu. Jednoduše řečeno, atomy titanu jsou obklopeny šesti atomy kyslíku, které tvoří oktaedrický tvar. Tetragonální struktura anatasu je na rozdíl od rutilového polymorfu, který má kompaktnější, ortorombickou krystalovou strukturu.

Krystalová struktura ovlivňuje vlastnosti anatasu, díky čemuž vykazuje odlišné chování ve srovnání s rutilem v různých aplikacích. Anatase je známý pro své fotokatalytické vlastnosti, které nacházejí uplatnění v procesech souvisejících s životním prostředím a energií. Má vyšší povrchovou reaktivitu než rutil, takže je užitečný ve fotokatalýze, solárních článcích a dalších technologiích.

Stručně řečeno, anatas je minerální forma oxidu titaničitého s tetragonální krystalovou strukturou, odlišná od rutilových a brookitových polymorfů. Jeho jedinečné vlastnosti ho činí cenným v různých technologických aplikacích, zejména v oblastech souvisejících s fotokatalýzou a solární energií.

Vlastnosti Anatasu

Fyzikální vlastnosti

1. Barva: Anatase je typicky tmavě modrá, hnědá nebo černá, ale může se objevit také v odstínech žluté, zelené nebo červené. Barva se může lišit v důsledku nečistot přítomných v krystalové mřížce.
2. Lesk: Minerál má submetalický až kovový lesk, který mu dodává lesklý vzhled, když se světlo odráží od jeho povrchu.
3. Pruh: Proužek anatasu je bílý až světle žlutý, což je barva práškového minerálu, když je seškrábán přes desku s pruhy.
4. Tvrdost: Anatase má tvrdost podle Mohse 5.5–6, což z něj činí středně tvrdý minerál. Může poškrábat sklo, ale je měkčí než minerály jako křemen.
5. Hustota: Hustota anatasu se mění, ale obecně se pohybuje kolem 3.8 až 3.9 g/cm³.
6. Výstřih: Anatase vykazuje slabé nebo nevýrazné štěpení, což znamená, že se neláme podél hladkých rovin, když je vystaven stresu.
7. Transparentnost: Minerál je typicky neprůhledný, což znamená, že skrz něj neprochází světlo.
8. Krystalický systém: Anatase krystalizuje v tetragonálním systému, tvoří krystaly se čtyřmi stranami a často se vyskytuje jako hranoly nebo tabulkové krystaly.

Chemické vlastnosti:

1. Chemický vzorec: TiO2 – Anatase má stejný chemický vzorec jako rutil a brookit, všechny jsou různé polymorfy oxidu titaničitého.
2. Reaktivita: Anatase je známý svou vyšší reaktivitou ve srovnání s rutilem. Vykazuje významnou fotokatalytickou aktivitu, díky čemuž je užitečný v aplikacích, jako je sanace životního prostředí a přeměna sluneční energie.
3. Fotokatalytické vlastnosti: Jednou z pozoruhodných chemických vlastností anatasu je jeho schopnost podstoupit fotokatalýzu. Při vystavení ultrafialovému světlu může anatas katalyzovat různé chemické reakce, jako je degradace organických polutantů ve vodě.
4. Transformace na rutil: Při zvýšených teplotách může anatas projít fázovou transformací na rutil. Tato přeměna je vratný proces a je ovlivněna faktory, jako je teplota a tlak.
5. Tepelná stabilita: Anatase je obecně méně tepelně stabilní než rutil a jeho stabilita je ovlivněna podmínkami, jako je tlak a přítomnost nečistot.

Pochopení fyzikálních a chemických vlastností anatasu je klíčové pro jeho využití v různých průmyslových aplikacích, včetně fotokatalýzy, pigmentů a jako složky při výrobě oxidu titaničitého pro barvy, nátěry a další produkty.

Optické vlastnosti z Anatase

1. Transparentnost:
   • Anatase je typicky neprůhledný, což znamená, že skrz něj neprochází světlo. To je na rozdíl od minerálů, které jsou průhledné nebo průsvitné.
2. Lom světla:
   • Index lomu anatasu je poměrně vysoký, což přispívá k jeho charakteristickému lesku. Index lomu je mírou toho, jak moc se světlo ohýbá nebo láme, když prochází minerálem.
3. dvojlom:
   • Anatase vykazuje dvojlom, vlastnost, kdy se světlo při průchodu minerálem rozděluje na dva paprsky. Rozsah dvojlomu je ovlivněn krystalovou strukturou a orientací.
4. Rozptyl:
   • Disperze se týká oddělení různých barev světla při průchodu materiálem. Anatase může vykazovat určitou disperzi, což přispívá k jeho hře barev, ale není tak výrazný jako u některých jiných minerálů.
5. Pleochroismus:
   • Anatase může vykazovat pleochroismus, což znamená, že při pohledu z různých úhlů vykazuje různé barvy. Přítomnost pleochroismu často souvisí s orientací krystalových os.
6. Optická třída:
   • Anatase patří do tetragonálního krystalového systému a jeho optická třída je jednoosá pozitivní. To znamená, že má jednu optickou osu a světlo putující podél této osy zažívá pozitivní dvojlom.
7. Lesk:
   • Minerál má submetalický až kovový lesk, přispívá k jeho lesku při vystavení světlu.
8. Fluorescence:
   • Anatase může vykazovat fluorescenci pod ultrafialovým (UV) světlem s odchylkami v barvě v závislosti na přítomnosti specifických nečistot.

Pochopení optických vlastností anatasu je důležité pro geologické i průmyslové účely. Tyto vlastnosti lze využít při identifikaci minerálu v geologických vzorcích a mohou také ovlivnit jeho aplikace v různých průmyslových odvětvích, včetně pigmentů, povlaků a optických zařízení.

Výskyt a vznik

Výskyt:

Anatase je minerál, který se vyskytuje v různých geologických prostředích. Běžně se vyskytuje ve spojení s jinými titanovými minerály, zejména rutilem a brookitem. Některé z běžných jevů zahrnují:

1. Pegmatity: Anatase lze nalézt v pegmatit žíly, které jsou hrubozrnné vyvřelé skály. Pegmatity často obsahují různé minerály kvůli jejich pomalému ochlazování a přítomnosti těkavých složek při jejich vzniku.
2. Metamorfované skály: Anatas se někdy vyskytuje v metamorfních skály, zejména ty, které prošly podmínkami vysoké teploty a vysokého tlaku. Příklady zahrnují břidlice a ruly.
3. Hydrotermální žíly: Hydrotermální žíly, vzniklé ukládáním minerálů z horkých tekutin bohatých na minerály, mohou také hostit anatas. Tyto žíly jsou běžné v řadě geologických prostředí.
4. místo Vklady: Anatase, spolu s dalšími těžkými minerály, se může koncentrovat v rýžových usazeninách prostřednictvím procesu eroze, transportu a sedimentace. Tato ložiska jsou často spojena s říčními systémy.
5. Sedimentární horniny: Anatase se může vyskytovat v sedimentárních horninách, včetně pískovců a břidlic. Může být přítomen jako úlomková zrna nebo jako součást cementového materiálu.

Formace:

Tvorba anatasu zahrnuje procesy, které vést ke krystalizaci oxidu titaničitého za specifických podmínek. Přesné mechanismy se mohou lišit v závislosti na geologickém prostředí, ale běžné procesy tvorby zahrnují:

1. Magmatické procesy: Anatase může krystalizovat z magmatických tekutin během ochlazování magmatu. Jak se magma ochladí, mohou se vysrážet minerály jako anatas, rutil a brookit.
2. Hydrotermální procesy: Horké tekutiny bohaté na minerály cirkulující v zemské kůře mohou vést k tvorbě anatasu. Tyto tekutiny mohou rozpouštět titan z okolních hornin a poté ukládat anatas, když se ochladí.
3. Metamorfóza: Anatáza se může tvořit během metamorfózy, která zahrnuje změna hornin v důsledku vysoké teploty a tlaku. V metamorfovaných horninách mohou prekurzorové minerály podléhat změnám, aby se staly anatasem.
4. Počasí a eroze: Anatase se může uvolnit ze svých původních zdrojových hornin prostřednictvím procesů zvětrávání. Jakmile se uvolní, může být transportován vodou a větrem, případně se hromadí v sedimentárních prostředích.

Pochopení výskytu a tvorby anatasu je klíčové jak pro geologické studie, tak pro průmyslové aplikace. Přítomnost minerálu v určitých geologických podmínkách může poskytnout pohled na historii a procesy Země, zatímco jeho vlastnosti ho činí cenným pro různé technologické aplikace.

Aplikace a použití Anatase

Anatase díky svým jedinečným fyzikálním a chemickým vlastnostem nachází uplatnění v různých průmyslových a technologických oblastech. Některé z pozoruhodných použití anatasu zahrnují:

1. Fotokatalýza: Anatase je dobře známý pro svou fotokatalytickou aktivitu. Při vystavení ultrafialovému (UV) světlu může katalyzovat chemické reakce, jako je rozklad organických znečišťujících látek ve vzduchu a vodě. Tato vlastnost se využívá v environmentálních aplikacích, včetně čištění vody a úpravy vzduchu.
2. Solární články: Polovodičové vlastnosti anatasu jej činí vhodným pro použití v solárních článcích. Může být použit jako fotoanodový materiál v solárních článcích citlivých na barvivo (DSSC) a jako součást fotoaktivní vrstvy v jiných typech technologií solárních článků. Jeho schopnost pohlcovat UV záření dobře odpovídá slunečnímu spektru.
3. Pigmenty a barviva: Anatase se používá při výrobě pigmentů a barviv pro barvy, nátěry a plasty. Jeho jedinečné barvy a optické vlastnosti ho činí cenným při vytváření škály odstínů v různých materiálech.
4. Katalýza: Anatase se používá jako katalyzátor v chemických reakcích. Jeho povrchová reaktivita je výhodná při podpoře určitých chemických přeměn a nachází uplatnění při syntéze organických sloučenin a dalších průmyslových procesech.
5. Kosmetika: Anatase se používá v kosmetických přípravcích, včetně opalovacích krémů a výrobků pro péči o pleť. Díky svým vlastnostem pohlcujícím UV záření je účinný při ochraně pokožky před škodlivým UV zářením.
6. Keramika: Anatase je začleněn do keramiky pro zlepšení jejích vlastností. Může zlepšit mechanickou pevnost a tepelnou stabilitu keramických materiálů.
7. Optická zařízení: Optické vlastnosti anatasu, včetně jeho vysokého indexu lomu a dvojlomu, jej činí vhodným pro použití v optických zařízeních, jako jsou čočky a hranoly.
8. Konstrukční materiály: Anatase může být přidán do stavebních materiálů, jako je beton a nátěry, aby se získaly určité žádoucí vlastnosti. Jeho fotokatalytická aktivita může přispívat k samočisticím a vzduchočisticím vlastnostem těchto materiálů.
9. Štípání vody: Ve výzkumu a vývoji pro aplikace obnovitelné energie je anatase zkoumán pro jeho potenciální použití při reakcích štěpení vody. Tento proces zahrnuje využití solární energie k rozdělení vody na vodík a kyslík, které lze použít jako čistý a udržitelný zdroj paliva.

Různorodé aplikace anatasu zdůrazňují jeho význam v různých technologických pokrokech, od nápravy životního prostředí po výrobu energie a vědu o materiálech. Probíhající výzkum pokračuje ve zkoumání nových způsobů, jak využít jedinečné vlastnosti anatasu pro vznikající technologie.

Srovnání s jinými polymorfy oxidu titaničitého

Oxid titaničitý (TiO2) existuje v několika polymorfních formách, přičemž tři primární jsou rutil, anatas a brookit. Zde je srovnání mezi anatasem a dalšími dvěma hlavními polymorfy:

1. Anatas vs. Rutil:

• Krystalická struktura:
  • anatase: Tetragonální krystalová struktura.
  • Rutil: Ortorombická krystalová struktura.
• Barva:
  • anatase: Různé barvy, včetně modré, hnědé, černé, žluté, zelené a červené.
  • Rutil: Červenohnědý až černý.
• Optické vlastnosti:
  • anatase: Vyšší index lomu, vykazuje dvojlom a pleochroismus.
  • Rutil: Nižší index lomu, nedvojlomný.
• Fotokatalytická aktivita:
  • anatase: Vyšší fotokatalytická aktivita, zejména pod UV světlem.
  • Rutil: Nižší fotokatalytická aktivita, ale stabilnější ve viditelném světle.

2. Anatase vs. Brookite:

• Krystalická struktura:
  • anatase: Tetragonální krystalová struktura.
  • Brookite: Ortorombická krystalová struktura.
• Barva:
  • anatase: Pestré barvy.
  • Brookite: Hnědá až černá, někdy s červeným nádechem.
• Výskyt:
  • anatase: Běžnější a stabilnější při nižších teplotách.
  • Brookite: Méně časté a stabilní při vyšších teplotách.
• Optické vlastnosti:
  • anatase: Vykazuje dvojlom a pleochroismus.
  • Brookite: Vykazuje dvojlom.

Obecná srovnání:

• Fotokatalytická aktivita:
  • anatase: Známý pro vysokou fotokatalytickou aktivitu, zejména v environmentálních aplikacích.
  • Rutil a brookit: Nižší fotokatalytická aktivita ve srovnání s anatasem.
• Stabilita:
  • anatase: Méně stabilní než rutil při vysokých teplotách.
  • Rutil: Tepelně stabilnější.
  • Brookite: Méně stabilní než anatase, ale stabilnější než anatase při vysokých teplotách.
• Aplikace:
  • anatase: Široce se používá ve fotokatalýze, solárních článcích, pigmentech a kosmetice.
  • Rutil: Používá se v pigmentech, nátěrech, plastech a některých optických aplikacích.
  • Brookite: Méně běžné v aplikacích, ale byly studovány pro své jedinečné vlastnosti.

Stručně řečeno, anatas, rutil a brookit jsou různé polymorfy oxidu titaničitého, z nichž každý má svou vlastní krystalovou strukturu, barvu, stabilitu a vlastnosti. Anatase je zvláště známý pro svou fotokatalytickou aktivitu, zatímco rutil je ceněn pro svou stabilitu a lepší výkon rutilu ve viditelném světle. Brookite, i když je méně běžný, má jedinečné vlastnosti, díky kterým je v určitých aplikacích zajímavý. Volba polymorfu závisí na specifických požadavcích zamýšlené aplikace.

Syntéza a výroba

Syntéza a produkce oxidu titaničitého anatasu (TiO2) může být dosažena různými metodami a volba metody často závisí na požadované aplikaci a požadovaných vlastnostech. Zde jsou některé běžné metody pro syntézu anatasu TiO2:

1. Hydrotermální syntéza:
   • Při hydrotermální syntéze reagují prekurzorové sloučeniny titanu s vodou při zvýšených teplotách a tlacích. Tato metoda může produkovat dobře definované nanočástice anatasu s kontrolovanou velikostí a morfologií. Reakční podmínky, jako je teplota a tlak, mohou být upraveny tak, aby ovlivnily krystalovou strukturu.
2. Sol-Gel metoda:
   • Proces sol-gel zahrnuje hydrolýzu a polykondenzaci alkoxidů kovů za vzniku solu, který se pak podrobí gelaci a sušení. Řízením reakčních podmínek, jako je pH a teplota, lze syntetizovat nanočástice anatasu Ti2. Metoda sol-gel umožňuje přípravu tenkých filmů, povlaků a dalších materiálů.
3. Solvotermální syntéza:
   • Solvotermální syntéza je podobná hydrotermální syntéze, ale místo vody se provádí v organických rozpouštědlech. Tato metoda umožňuje syntézu nanočástic anatasu s řízenou velikostí a tvarem. Volba rozpouštědla a reakčních podmínek ovlivňuje vlastnosti výsledného TiO2.
4. Syntéza spalování:
   • Syntéza spalování zahrnuje exotermickou reakci mezi kovovými prekurzory a zdrojem paliva, což vede k tvorbě nanočástic TiO2. Tato metoda je relativně jednoduchá a nákladově efektivní, ale může vyžadovat pečlivou kontrolu podmínek spalování pro získání požadované fáze.
5. Chemická depozice z plynné fáze (CVD):
   • CVD zahrnuje chemickou reakci plynných prekurzorů za účelem nanesení tenkého filmu TiO2 na substrát. Řízením parametrů depozice, jako je teplota a koncentrace prekurzoru, lze vytvářet filmy anatasu Ti2. CVD se často používá pro velkovýrobu a v polovodičovém průmyslu.
6. Aerosolové metody:
   • Aerosolové metody, jako je rozprašovací pyrolýza nebo plamenná rozprašovací pyrolýza, zahrnují generování nanočástic TiO2 v plynné fázi, které se pak shromažďují na substrátu. Tyto metody jsou vhodné pro výrobu tenkých filmů a povlaků.
7. Metody asistované šablonou:
   • Metody asistované templátem zahrnují použití templátů, jako jsou povrchově aktivní micely nebo nanočástice, k řízení velikosti a struktury syntetizovaného TiO2. Po syntéze se templát odstraní a zanechá za sebou anatas TiO2 s definovanou strukturou.
8. Mechanické metody:
   • Mechanické metody, jako je kulové mletí nebo otěrové mletí, zahrnují mechanické mletí nebo mletí prekurzorů Ti2 za účelem získání jemných částic. Tyto metody jsou poměrně jednoduché a lze je použít pro velkosériovou výrobu.

Volba metody syntézy závisí na faktorech, jako je požadovaná velikost částic, morfologie a zamýšlená aplikace anatasu Ti2. Každá metoda má své výhody a omezení a výzkumníci a výrobci často vybírají nejvhodnější přístup na základě konkrétních požadavků.