بررسی اثر اندازه ذره بر پارامتر حجم به ازای اتم در نانوذرات اکسید تیتانیوم

فصلنامه علمی - پژوهشی مواد نوین

مقاله 8، دوره 8، شماره 29، آبان 1396، صفحه 81-90   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسنده

علی مشرقی^*

استادیار مهندسی و علم مواد، دانشگاه صنعتی شیراز.

تاریخ دریافت: 27 خرداد 1395،  تاریخ بازنگری: 01 مهر 1395،  تاریخ پذیرش: 09 بهمن 1396 

چکیده

نانوذرات، یکی از عناصر اصلی در فناوری نانو محسوب می­شوند. به دلیل نسبت بالای سطح به حجم نانوذرات، خواص و پارامترهای نانوذرات تفاوت قابل ملاحظه­ای با نمونه حجیم از خود نشان می­دهند. یکی از این پارامترها، حجم نانوذرات است. در این پژوهش، تاثیر لایه آمورف سطحی بر پارامتر حجم در واحد اتم (Ω) نانوذرات TiO₂ به روش دینامیک مولکولی مورد بررسی قرار گرفت. این پژوهش روی دو نوع حالت بلوری اکسید تیتانیوم، روتایل و آناتاز صورت گرفت. یک روش جدید برای تعیین تغییرات Ω در راستای شعاعی نانوذره پیشنهاد گردید. مشاهده شد که در ناحیه درونی نانو ذره که بلوری است مقدار Ω مستقل از فاصله شعاعی بوده و برابر با مقدار Ω برای اکسید تیتانیوم حجیم می­باشد. با این حال، در لایه آمورف سطحی تغییرات شعاعی Ω مشاهده گردید و میانگین پارامتر Ω در لایه سطحی بزرگ­تر از ناحیه درونی بود. علاوه بر این، مشاهده گردید که میانگین حجم به ازای اتم نانوذرات TiO₂ (_aveΩ (بزرگ­تر از مقدار فاز با ابعاد حجیم می­باشد. به منظور بررسی دقیق­تر، تغییرات شعاعی عدد همسایگی یون­های تیتانیوم محاسبه شد. نتیجه گیری گردید که عدد همسایگی کم­تر یون­های تیتانیوم در لایه آمورف سطحی عامل اصلی مقدار بیش­تر میانگین حجم به ازای اتم نانوذرات TiO₂می­باشد.   

کلیدواژه‌ها

حجم به ازای اتم؛ شبیه سازی دینامیک مولکولی؛ نانوذرات اکسید تیتانیوم

عنوان مقاله [English]

Investigating the effect of particle size on Volume-per-atom parameter of TiO2 nanoparticles

نویسندگان [English]

A Mashreghi

چکیده [English]

Nanoparticles are considered as one of the most important building blocks of nanotechnology. Due to the high surface to bulk ratio of nanoparticles, most of their properties and parameters differ significantly from their bulk counter parts. One of these parameters is volume of nanoparticle. In the present work, molecular dynamics (MD) simulation was used to explore the effect of amorphous surface layer on volume-per-atom (Ω) of TiO₂ nanoparticles. Two most common phases of TiO₂, rutile and anatase, were investigated. A novel method was proposed for studying the radial variation of Ω from the center to the surface of nanopaticles. It was found that for atoms located in the crystalline core of TiO₂ nanoparticles, the value of Ω is radial independent and is the same as that of bulk TiO₂. However, in the amorphous surface layer, Ω showed radial variation, with its average value larger than that of crystalline core. Moreover, it was observed that the average volume-per-atom (Ω_ave) of TiO₂ nanoparticles is larger that that of bulk TiO₂. For a more detailed examination, the radial variation of coordination number (CN) of titanium ion, from the center to the surface of nanoparticle, was calculated. It was concluded that the lower CN of titanium ions located in the amorphous surface layer, than that of conventional value, i.e. 6, is responsible for larger Ω_ave of TiO₂ nanoparticles.

کلیدواژه‌ها [English]

TiO2 nanoparticle, Molecular dynamics simulation, Volume-per-atom

مراجع

 1- X. Xiong, A. Busnaina, "Direct assembly of nanoparticles for large-scale fabrication of nanodevices and structures", J. Nanopart. Res., Vol.  10, pp. 947-954, 2008.

2- B. Tan, Y. Wu, "Dye-sensitized solar cells based on anatase TiO2 nanoparticle/nanowire composites", J. Phys. Chem. B, Vol. 110, pp. 15932-15938, 2006. 

3- S.S. Kalanur, J. Seetharamappa, S.N. Prashanth, "Voltammetric sensor for buzepide methiodide determination based on TiO2 nanoparticle-modified carbon paste electrode", Colloids Surf. B Biointerfaces, Vol. 78, pp. 217-221, 2010.

4- مهرنوش مختاری مهر، محمد حسین شریعت و محمود پاک شیر، " بررسی خاصیت فتوکاتالیستی لایه نازک  V doped TiO2 تهیه شده با روش سل-ژل" مواد نوین، جلد 2، صفحه 21-26، 1391.

 

5- V.N. Koparde, P.T. Cummings, "Molecular dynamics study of water adsorption on TiO₂ nanoparticles", J. Phys. Chem. C, Vol. 111, pp. 6920-6926, 2007.

6- H. Zhang, B. Chen, J.F. Banfield, "Atomic structure of nanometer-sized amorphous TiO₂", Phys. Rev. B., Vol. 78, pp. 214106(1-12), 2008.  
 

7- V.N. Koparde, P.T. Cummings, "Sintering of titanium dioxide nanoparticles: a comparison between molecular dynamics and phenomenological modeling", J. Nanopart. Res., Vol. 10, pp. 1169-1182, 2008.      

8- V.V. Hoang, H. Zung, N.H.B. Trong, "Structural properties of amorphous TiO2 nanoparticles", Eur. Phys. J. D, Vol. 44, pp. 515–524, 2007.  

9- W. Yan, S. Li, Y. Zhang, Q. Yao, S.D. Tse, "Effects of dipole moment and temperature on the interaction dynamics of titania nanoparticles during agglomeration", J. Phys. Chem. C, Vol. 114, pp. 10755–10760, 2010.   

10- V.N. Koparde, P.T. Cummings, Molecular dynamics study of water adsorption on TiO2 nanoparticles, J. Phys. Chem. C, Vol. 111, pp. 6920-6926, 2007.

11- H. Zhang, B. Chen, J.F. Banfield, Atomic structure of nanometer-sized amorphous TiO2, Phys. Rev. B, Vol. 78, pp. 214106(1-12), 2008.        

12- V.N. Koparde, P.T. Cummings, Sintering of titanium dioxide nanoparticles: a comparison between molecular dynamics and phenomenological modeling, J. Nanopart. Res., Vol. 10, pp. 1169-1182, 2008.       

13- V.V. Hoang, H. Zung, N.H.B. Trong, Structural properties of amorphous TiO2

nanoparticles, Eur. Phys. J. D, Vol. 44, pp. 515–524, 2007. 

14- P.K. Naicker, P.T. Cummings, H. Zhang, J.F. Banfield, “Characterization of titanium dioxide nanoparticles using molecular dynamics simulations, J. Phys. Chem. B, Vol. 109, pp. 15243-15249, 2005.

 

15- A. Mashreghi, M.M. Moshksar, "Molecular dynamics simulation of the effect of nanotube diameter on heat pulse propagation in thin armchair single walled carbon nanotubes", Comput. Mater. Sci., Vol. 50, pp. 2814-2821, 2011.           

16- A. Mashreghi, M.M. Moshksar, "Investigating the effect of chirality on structural parameters of chiral single-walled carbon nanotubes by molecular dynamics simulation", Comput. Mater. Sci., Vol. 50, pp. 934-938, 2011.  

17- A. Mashreghi, M.M. Moshksar, "Bond lengths and bond angles of armchair single-walled carbon nanotubes through molecular dynamics and potential energy curve approaches", Comput. Mater. Sci., Vol. 49, pp. 871-875, 2010.  
 

18- A. Mashreghi, "Determining the volume thermal expansion coefficient of TiO₂ nanoparticle by molecular dynamics simulation", Computational Materials Science, Vol. 62, pp. 60–64, 2012.           

19- M. Matsui, M. Akaogi, "Molecular dynamics simulation of the structural and physical properties of the four polymorphs of TiO₂", Mol. Simul., Vol. 6, pp. 239-244, 1991.            

20- A.V. Kazakov, E.S. Shpiro, T.V. Voskoboinikov, "Application of Debye function analysis to particle size and shape determination in Ir/SiO₂ catalysts", J. Phys. Chem., Vol. 99, pp. 8323-8327, 1995.

21- C.B. Carter, M.G. Norton, "Ceramic Materials: Science and Engineering", Springer, New York, 2007.