تولید نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم ناخالص با فعالیت کاتالیزوری بالا

دی‌اکسید تیتانیوم یکی از مهم‌ترین اکسیدهای فلزات واسطه است که می‌تواند در تولید انرژی‌های تجدیدپذیر و کاربردهای زیست‌محیطی دیگر مورد استفاده قرار بگیرد. ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی بسیار جالب، بی‌اثر بودن زیستی، غیرسمیت، پایداری در برابر نور و مقرون به صرفه بودن این ماده موجب شده است که به کاندیدایی بسیار جذاب برای کاربردهای مختلفی همچون فتوکاتالیست‌ها،حسگرهای گازی، ابزارهای فتوکرومیکی و پیل‌های خورشیدی حساس‌شده رنگی تبدیل شود.

به طور کلی برای فعالیت فتوکاتالیستی بالا، دارا بودن مساحت سطحی بالا الزامی است. نانولوله‌ها و نانوالیاف با دارا بودن مساحت سطحی ویژه بالا در این زمینه دارای مزیت هستند.

در حال حاضر استفاده از دی‌اکسید تیتانیوم به‌عنوان فتوکاتالیزور توسط شکاف باندی آن و ترکیب شدن مجدد الکترون‌ها و حفره‌های تهییج‌شده در آن محدود می‌شود. دی‌اکسید تیتانیوم فقط ۳ درصد از نور خورشید را جذب می‌کند و در نتیجه برای اینکه به‌عنوان یک فتوکاتالیزور موثر عمل نماید، به نور ماورای بنفش نیاز دارد. بنابراین گسترش فرکانس جذبی این ماده به نور مرئی و جلوگیری از ترکیب شدن مجدد الکترون و حفره برای به دست آوردن کارایی بالا ضروری است.

هر دوی این خواص را می‌توان با افزودن مقدار کمی از یون‌های با جرم پایین، همانند نیتروژن و گوگرد، و یا یون‌های فلزات واسطه، همچون آهن و کبالت ایجاد کرد. با این حال بسیاری از روش‌های ناخالص‌سازی نیاز به آنیلینگ دارند که اغلب موجب ایجاد نواقصی در ساختار ماده شده و یا ساختارهای چندفازی ایجاد می‌کنند که هر دو به عنوان مراکزی برای ترکیب مجدد الکترون و حفره عمل می‌کنند. همچنین استفاده از بسیاری از این روش‌ها به فیلم‌های نازک با مساحت پایین محدود می‌شوند (همانند وارد کردن یون‌های ناخالصی).

در مطالعه‌ای که اخیراً انجام شده و در مجله Nanotechnology نیز منتشر شده است، محققان روشی منحصر به فرد و موثر برای ناخالص‌سازی ارائه نموده‌اند که در تئوری قابل استفاده در مورد بسیاری از نانومواد معدنی است.
آنها از باقیمانده‌های کاتالیزور آهن که درون نانولوله‌های رشد یافته کپسوله شده‌اند، به عنوان منبع آلاینده استفاده کرده‌اند. این فرایند نیاز به آنیلینگ نداشته و امکان انتشار یکنواخت غلظت‌های بالا از آهن را در نانولوله‌های آناتاز یا روتایل ایجاد می‌کند.

فعالیت کاتالیزوری این مواد جدید در تجزیه آب نسبت به دی‌اکسید تیتانیوم تجاری موجود ۱۰۰ برابر بیشتر است؛ به لطف کاهش شکاف باندی این مواد جدید از ۲۳/۳ (برای آناتاز) و ۰۲/۳ (برای روتایل) به ۸/۲ الکترون‌ولت، محدوده فرکانس جذبی آنها افزایش یافته و سرعت ترکیب مجدد الکترون-حفره نیز به شدت کاهش یافته است.