ทำไมผงไทเทเนียมไดออกไซด์ที่เจือด้วยไนโตรเจนจึงมีสีต่างกัน

การเปลี่ยนแปลงสีของไทเทเนียมไดออกไซด์ที่เจือด้วยไนโตรเจน (N-doped TiO2)— ตั้งแต่สีขาวบริสุทธิ์ไปจนถึงสีเหลืองซีดไปจนถึงสีเทาเข้ม — โดยพื้นฐานแล้วควบคุมโดยการทำงานร่วมกันระหว่างความเข้มข้นของสารเติมไนโตรเจน ความหนาแน่นของตำแหน่งว่างของออกซิเจน (VO) และการเติมสาร Ti3+ ในตัว สีนั้นทำหน้าที่เป็นตัวบ่งชี้ความสำเร็จและขอบเขตของยาสลบโดยตรง

1. สีที่แท้จริง: สีขาวบริสุทธิ์

อะนาเทสบริสุทธิ์หรือ TiO2 รูไทล์ที่ยังไม่ได้เจือนั้นเป็นสีขาวบริสุทธิ์ เหตุผล: TiO2 เป็นสารกึ่งตัวนำที่มีแถบความถี่กว้าง (แอนาเทส ~3.2 eV, รูไทล์ ~3.0 eV) ที่ดูดซับเฉพาะแสง UV (ความยาวคลื่น < 387 nm) มันสะท้อนสเปกตรัมที่มองเห็นได้ทั้งหมด (380–780 นาโนเมตร) เกือบทั้งหมด ทำให้เกิดลักษณะสีขาวเจิดจ้า

2. สีเหลืองอ่อน / สีเหลืองอ่อน: การเติมไนโตรเจนเล็กน้อย

นี่เป็นสัญลักษณ์ในอุดมคติของการเติมไนโตรเจนที่ประสบความสำเร็จ

เหตุผล: อะตอมของไนโตรเจนเข้าไปในโครงตาข่ายโดยการเติมสารโด๊ปแทน โดยแทนที่ตำแหน่งออกซิเจน (O2−) บางส่วน วงโคจร N 2p มีพลังงานสูงกว่า O 2p ทำให้เกิดสถานะช่องว่างกลางแยกกันเหนือค่าสูงสุดของแถบเวเลนซ์ TiO2TiO2

ผลกระทบ: แถบความถี่ที่มีประสิทธิภาพแคบลงจาก ~3.2 eV เป็นประมาณ 2.5–2.8 eV ทำให้วัสดุสามารถดูดซับแสงสีน้ำเงินม่วง (400–450 นาโนเมตร) ตามหลักการของสีคู่ตรงข้าม แสงที่สะท้อนจะเปลี่ยนเป็นสีเหลือง

สรุป: สีเหลืองอ่อน = เติมไนโตรเจนที่สะอาดเล็กน้อย กิจกรรมโฟโตคะตาไลติกที่เหมาะสมที่สุด

3. สีเทา / สีเทาเข้ม: ตำแหน่งที่ต้องใช้สารต้องห้าม + ออกซิเจน

เมื่อผงเปลี่ยนเป็นสีเทาหรือสีเทาเข้ม สถานการณ์จะซับซ้อนมากขึ้น ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมีข้อบกพร่องหลายประเภทซ้อนทับกัน

ก. การเติมไนโตรเจนความเข้มข้นสูง

เมื่อปริมาณไนโตรเจนเพิ่มขึ้น ความหนาแน่นของสถานะช่องว่างตรงกลางก็จะเพิ่มขึ้น ส่งผลให้การดูดกลืนแสงที่มองเห็นจากบริเวณสีน้ำเงินม่วงไปจนถึงสีเขียว เหลือง และแม้แต่สีแดงขยายออกไป แบนด์วิธการดูดกลืนแสงจะกว้างขึ้น แสงสะท้อนจะลดลง และสีจะเปลี่ยนจากสีเหลืองเป็นสีน้ำตาลเทา

B. การก่อตัวของตำแหน่งว่างออกซิเจน (VO)

ในระหว่างการเติมไนโตรเจน — โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายใต้การเผาที่อุณหภูมิสูงในแอมโมเนียหรือบรรยากาศที่ลดลง — การทดแทนไนโตรเจนมักจะมาพร้อมกับการก่อตัวของออกซิเจนว่าง:

TiO2+NH3ΔN-TiO2−x+H2O↑

ตำแหน่งที่ว่างของออกซิเจนทำให้ระดับผู้บริจาคตื้นภายในช่องว่างแถบสี ซึ่งช่วยเพิ่มการดูดกลืนแสงที่มองเห็นได้ และทำให้สีเข้มขึ้น

C. Ti3+Ti3+ การโด๊ปด้วยตนเอง

ตำแหน่งที่ว่างของออกซิเจนทำให้เกิดกลไกการชดเชยประจุ — การลด Ti4+ ลงเป็น Ti3+ บางส่วน:

2 Ti4++O2−⟶2 Ti3++VO+1/2O2↑

สายพันธุ์ Ti3+ (ในตัวเองเป็นโครโมฟอร์สีน้ำเงิน-เทา) นำเสนอสภาวะช่องว่างกลางที่ลึกยิ่งขึ้น โดยให้เฉดสีสีน้ำเงินถึงสีเทาแก่ผง นี่คือสาเหตุที่แน่ชัดว่าเหตุใด TiO2 สีเทาจึงมักถูกอธิบายไว้ในวรรณกรรมว่าเป็นระยะของสารตั้งต้นของ "TiO2 สีดำ"

4. สีกับสถานะยาสลบ 

5. ข้อแนะนำทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ

หากเป้าหมายของคุณคือโฟโตคะตะไลซิสแบบแสงที่มองเห็นได้ ให้เล็งไปที่ผงสีเหลืองอ่อน สิ่งนี้บ่งชี้ว่าอะตอม N เข้าสู่โครงตาข่ายคริสตัลได้สำเร็จเพื่อสร้างสถานะช่องว่างกลางที่มีประสิทธิภาพ ในขณะที่ตำแหน่งออกซิเจนและ Ti3+Ti3+ ยังคงอยู่ที่ความเข้มข้นต่ำ ซึ่งช่วยลดการรวมตัวกันใหม่ของหลุมอิเล็กตรอนให้เหลือน้อยที่สุด

หากผงยังคงเป็นสีขาวบริสุทธิ์: การเติมไนโตรเจนอาจไม่สำเร็จ - อะตอม N อาจมีอยู่เฉพาะในรูปแบบที่ดูดซับที่พื้นผิวมากกว่าการแทนที่โครงตาข่าย ตรวจสอบ:

อุณหภูมิการเผาจะเพียงพอหรือไม่ (โดยทั่วไปคือ 400–550°C)

แหล่งไนโตรเจนเพียงพอและสลายตัวอย่างสมบูรณ์หรือไม่ (เช่น ยูเรีย ก๊าซแอมโมเนีย หรือไตรเอทิลเอมีน)

หากผงเป็นสีเทาเข้ม: ความเข้มข้นของสารต้องห้ามสูงเกินไปหรือบรรยากาศรีดิวซ์รุนแรงเกินไป 

แม้ว่าการดูดกลืนแสงที่มองเห็นได้จะแข็งแกร่งกว่า แต่ปริมาณออกซิเจนที่ว่างและ Ti3+ ส่วนเกินสามารถทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางการรวมตัวกันใหม่ของหลุมอิเล็กตรอน ซึ่งลดประสิทธิภาพของโฟโตคะตาไลติกโดยไม่ได้ตั้งใจ

เคล็ดลับการประเมินสี:

วางผงไว้เคียงข้างกันกับ TiO2 สีขาวบริสุทธิ์เพื่อเปรียบเทียบ แม้แต่สีเหลืองจางๆ ก็ส่งสัญญาณว่าการเติมสำเร็จ

ใช้ UV-Vis Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS) สำหรับการประเมินเชิงปริมาณ คำนวณฟังก์ชัน Kubelka-Munk เพื่อตรวจสอบการแคบของ bandgap

SAT NANO ผลิตผงไทเทเนียมไดออกไซด์เจือไนโตรเจนสีเทาอ่อน ซึ่งตรงตามข้อกำหนดประสิทธิภาพโฟโตคะตาไลติกของลูกค้าโดยทั่วไป หากคุณต้องการผงไทเทเนียมไดออกไซด์เจือไนโตรเจนคุณภาพสูงกว่า คุณสามารถสื่อสารกับพนักงานขายของเราก่อนซื้อผลิตภัณฑ์ที่ถูกต้อง