Oxit titan là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và phân loại oxit titan

Oxit titan là hợp chất giữa nguyên tố titan (Ti) và oxy (O), thuộc nhóm oxit kim loại chuyển tiếp. Dạng phổ biến nhất là titanium dioxide (TiO₂), một chất rắn màu trắng, không tan trong nước, có tính trơ hóa học cao và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và đời sống. Ngoài TiO₂, một số oxit titan khác như titanium(III) oxide (Ti₂O₃) và titanium monoxide (TiO) cũng tồn tại nhưng ít ổn định hơn và ít được sử dụng trong thực tiễn.

TiO₂ được phân loại theo dạng cấu trúc tinh thể, với ba biến thể chính là rutile, anatase và brookite. Trong đó, rutile là dạng ổn định nhất ở nhiệt độ thường và có tính ứng dụng cao trong ngành sơn và chất màu. Anatase có hoạt tính quang xúc tác mạnh hơn và được dùng trong xử lý môi trường, còn brookite ít ổn định, hiếm gặp và ít được khai thác thương mại.

Phân loại oxit titan dựa vào thành phần hóa học và cấu trúc tinh thể có thể trình bày như sau:

Tên hợp chất	Công thức hóa học	Trạng thái ổn định	Ứng dụng chính
Titanium dioxide	TiO2	Ổn định	Chất màu trắng, chất xúc tác, kem chống nắng
Titanium(III) oxide	Ti2O3	Kém ổn định	Vật liệu điện tử
Titanium monoxide	TiO	Rất kém ổn định	Nghiên cứu vật liệu

Cấu trúc tinh thể và tính chất vật lý

TiO₂ tồn tại ở ba dạng cấu trúc tinh thể chính: rutile, anatase và brookite. Rutile là dạng tinh thể ổn định nhất ở nhiệt độ thường, có cấu trúc tứ diện biến dạng, với mật độ nguyên tử cao và chỉ số khúc xạ lớn. Anatase có cấu trúc tinh thể tứ diện kéo dài, hoạt tính bề mặt cao, thường chuyển sang rutile khi nung ở khoảng 600–700°C. Brookite có cấu trúc tinh thể trực thoi, ít được ứng dụng vì khó tổng hợp và kém ổn định ở điều kiện thường.

Tính chất vật lý nổi bật của TiO₂ bao gồm màu trắng sáng, độ bền nhiệt cao, chỉ số khúc xạ mạnh (rutile ≈ 2.7), và độ phủ quang học lớn. Nhờ những đặc điểm này, TiO₂ là chất tạo màu trắng được sử dụng rộng rãi nhất trong các sản phẩm công nghiệp. Điểm nóng chảy của rutile là khoảng 1843°C và nhiệt độ sôi vào khoảng 2972°C.

Bảng so sánh một số đặc tính vật lý giữa ba dạng tinh thể TiO₂:

Biến thể	Tỷ trọng (g/cm³)	Chỉ số khúc xạ	Độ ổn định
Rutile	4.23	2.7	Rất ổn định
Anatase	3.89	2.5	Trung bình
Brookite	4.17	2.58	Kém ổn định

Tính chất quang học và khả năng hấp thụ tia UV

TiO₂ là vật liệu bán dẫn với dải năng lượng cấm (band gap) rộng, cho phép hấp thụ hiệu quả tia cực tím (UV). Band gap của anatase khoảng $3.2\,\text{eV}$, còn rutile khoảng $3.0\,\text{eV}$. Khi tiếp xúc với ánh sáng UV, electron trong dải hóa trị của TiO₂ được kích thích lên dải dẫn, tạo ra cặp electron-hole có khả năng sinh ra các gốc oxy hóa mạnh như •OH, O₂^•−.

Cơ chế phản ứng quang xúc tác cơ bản của TiO₂ được mô tả như sau:

$TiO_2 + h\nu \rightarrow e^- + h^+ \\ h^+ + H_2O \rightarrow \cdot OH + H^+ \\ e^- + O_2 \rightarrow \cdot O_2^-$

Nhờ khả năng sinh ra các gốc tự do có tính oxy hóa mạnh, TiO₂ được sử dụng trong các hệ thống xử lý không khí, nước, khử mùi và diệt khuẩn. Nghiên cứu cải tiến TiO₂ thông qua doping hoặc chế tạo composite đang được thực hiện nhằm mở rộng dải hấp thụ sang vùng ánh sáng khả kiến (ScienceDirect).

Ứng dụng trong công nghiệp sơn và chất màu

TiO₂ là chất tạo màu trắng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp sơn và chất phủ, nhờ vào độ trắng cao, độ che phủ mạnh và độ bền thời tiết tốt. Dạng rutile thường được sử dụng vì có độ ổn định quang hóa cao hơn anatase, giúp tăng tuổi thọ cho sản phẩm sơn ngoài trời.

Các lĩnh vực sử dụng chính của TiO₂ trong tạo màu bao gồm:

• Sơn tường và sơn công nghiệp
• Nhựa, cao su, và vật liệu polymer
• Mực in, giấy, sợi dệt

Với khả năng phản xạ ánh sáng và bức xạ UV, TiO₂ còn giúp bảo vệ vật liệu nền khỏi tác động của ánh sáng mặt trời, giảm sự lão hóa và biến đổi màu theo thời gian. Tùy theo ứng dụng, người ta có thể sử dụng TiO₂ dạng phủ silica/alumina để tăng cường tính ổn định hoặc giảm tính phản ứng bề mặt.

Ứng dụng trong y sinh và mỹ phẩm

TiO₂ ở dạng hạt nano (nano-TiO₂) được ứng dụng rộng rãi trong mỹ phẩm, đặc biệt là trong kem chống nắng nhờ khả năng phản xạ và tán xạ tia UV. Hạt nano TiO₂ có đường kính từ 10–100 nm, giúp tăng hiệu quả bảo vệ khỏi tia UV mà không gây vệt trắng trên da như TiO₂ dạng hạt lớn. Chúng hoạt động như một lớp chắn vật lý chống lại tia UVA và UVB.

Tuy nhiên, một số nghiên cứu gần đây đặt ra mối lo ngại về khả năng xâm nhập của nano-TiO₂ qua lớp biểu bì, nhất là khi da bị tổn thương hoặc trong điều kiện bôi lặp lại nhiều lần. Mặc dù phần lớn kết quả đều cho thấy TiO₂ không xâm nhập sâu vào da, nhưng các chuyên gia vẫn khuyến nghị giới hạn sử dụng và kiểm soát nồng độ theo quy định an toàn quốc tế.

Trong lĩnh vực y sinh, TiO₂ được sử dụng nhờ tính trơ sinh học, khả năng kháng khuẩn và độ bền cao. Các ứng dụng điển hình gồm:

• Vật liệu cấy ghép y tế: tráng phủ trên bề mặt implant nha khoa, khớp nhân tạo để giảm phản ứng viêm.
• Màng lọc kháng khuẩn: ứng dụng trong phòng sạch, khẩu trang, thiết bị y tế.
• Thiết bị cảm biến sinh học: nhờ khả năng dẫn điện có thể điều chỉnh.

Tham khảo chi tiết: NCBI – Titanium dioxide nanoparticles in biomedicine.

Ứng dụng trong xử lý môi trường và quang xúc tác

Anatase TiO₂ là một trong những vật liệu quang xúc tác hiệu quả nhất nhờ khả năng tạo ra các gốc hydroxyl và superoxide dưới ánh sáng UV. Các gốc này có tính oxy hóa cao, có thể phân hủy hoàn toàn các hợp chất hữu cơ bền vững, vi khuẩn, virus và hợp chất vô cơ độc hại trong nước và không khí.

Các ứng dụng môi trường của TiO₂ bao gồm:

• Sơn tự làm sạch: lớp phủ chứa TiO₂ giúp bề mặt tường hoặc kính tự phân hủy bụi bẩn dưới ánh sáng mặt trời.
• Hệ thống xử lý nước: loại bỏ chất hữu cơ, thuốc trừ sâu, thuốc kháng sinh tồn dư.
• Khử mùi và khử trùng không khí trong các tòa nhà, bệnh viện.

Một số hệ thống thương mại như TiOxiclear đã tích hợp công nghệ TiO₂ trong xử lý môi trường quy mô công nghiệp. Để tăng hiệu quả hấp thụ ánh sáng, các nhà khoa học đang nghiên cứu kỹ thuật “doping” bằng cách đưa các nguyên tố như N, Fe, hoặc Cu vào cấu trúc tinh thể TiO₂.

Vai trò trong pin mặt trời và vật liệu điện tử

TiO₂ được sử dụng rộng rãi trong các tế bào năng lượng mặt trời DSSC (Dye-Sensitized Solar Cells) nhờ khả năng truyền dẫn điện tử và tính ổn định dưới điều kiện ánh sáng mặt trời. Trong DSSC, TiO₂ hoạt động như một lớp nền bán dẫn mang điện tử từ phân tử nhuộm hấp thụ ánh sáng về điện cực.

Ngoài lĩnh vực năng lượng, TiO₂ còn xuất hiện trong:

• Điện cực pin lithium-ion: giúp cải thiện chu kỳ sạc-xả và độ ổn định nhiệt.
• Thiết bị cảm biến khí: nhạy với các chất như CO, NO₂, NH₃.
• Màng mỏng dẫn điện trong màn hình LCD, gương điện tử.

Sự ổn định hóa học, khả năng tương thích với nhiều vật liệu khác và chi phí thấp khiến TiO₂ trở thành một vật liệu hứa hẹn trong các thiết bị điện tử thế hệ mới.

Ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường

TiO₂ được xếp vào loại vật liệu có độ an toàn cao khi sử dụng ở dạng hạt lớn. Tuy nhiên, khi ở dạng hạt nano, đặc biệt là dạng hít phải qua không khí (bụi nano), các lo ngại về nguy cơ gây hại sức khỏe đã được đưa ra. Năm 2010, Cơ quan Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) đã phân loại TiO₂ dạng bụi vào nhóm 2B – “có thể gây ung thư cho người” qua đường hô hấp.

Các ảnh hưởng môi trường tiềm ẩn của TiO₂ dạng nano bao gồm:

• Ảnh hưởng đến vi sinh vật trong nước thải sinh học.
• Khả năng tích lũy sinh học trong chuỗi thức ăn.
• Khó phân hủy trong môi trường tự nhiên, tồn tại lâu dài.

Do đó, cần tuân thủ nghiêm ngặt các quy định về an toàn hóa chất, xử lý bùn thải và khí thải chứa TiO₂. Thông tin chi tiết: IARC Monographs – Titanium Dioxide.

Xu hướng nghiên cứu và cải tiến vật liệu

Các hướng nghiên cứu mới về TiO₂ đang tập trung vào việc mở rộng khả năng hấp thụ ánh sáng, tăng hiệu suất xúc tác và giảm độc tính. Một số chiến lược bao gồm:

1. Doping với các nguyên tố như N, S, Fe, Cu để điều chỉnh dải năng lượng band gap.
2. Tạo composite TiO₂/graphene để tăng độ dẫn điện và giảm tái tổ hợp electron.
3. Thiết kế vật liệu dạng mesoporous để tăng diện tích bề mặt hoạt tính.

Song song đó, xu hướng phát triển vật liệu “xanh”, ít tác động đến sức khỏe và môi trường đang thúc đẩy sự ra đời của các biến thể TiO₂ cải tiến như TiO₂-bio hoặc TiO₂ biến tính sinh học.

Tài liệu tham khảo

1. Chen, X., & Mao, S. S. (2007). Titanium dioxide nanomaterials: Synthesis, properties, modifications, and applications. Chemical Reviews, 107(7), 2891–2959. Link
2. Diebold, U. (2003). The surface science of titanium dioxide. Surface Science Reports, 48(5–8), 53–229. Link
3. U.S. National Library of Medicine. Titanium dioxide nanoparticle safety profile. Link
4. IARC Monographs on the Evaluation of Carcinogenic Risks to Humans. Titanium Dioxide. Link
5. ScienceDirect – Titanium dioxide in environmental remediation. Link
6. National Center for Biotechnology Information – Biomedical applications of TiO2. Link
7. Cristal – TiOxiclear Environmental Solutions. Link