Titan dioxide là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa và công thức hóa học của titan dioxide

Titan dioxide, thường viết là TiO₂, là một hợp chất vô cơ của titan và oxy, tồn tại dưới dạng chất rắn trắng, không tan trong nước, thường dùng làm pigment trắng. Công thức hóa học đơn giản biểu diễn là $TiO_2$. Titan dioxide có tính ổn định hóa học cao trong điều kiện bình thường, không phản ứng với hầu hết dung môi và axit nhẹ, nhưng có thể bị tan trong các axit mạnh hoặc hợp chất fluor hóa.

Dưới dạng pigment, TiO₂ còn được gọi là “titanium white” hoặc “Pigment White 6 (PW6)”. Do khả năng tán xạ ánh sáng rất lớn, nó được ứng dụng rộng rãi làm chất tạo độ trắng, độ che phủ trong sơn, nhựa, giấy và mỹ phẩm. Ngoài ra, TiO₂ cũng được dùng trong các ứng dụng dược phẩm và gốm sứ.

Titan dioxide ở dạng siêu mịn (nano‑TiO₂) còn được ứng dụng trong các lĩnh vực quang xúc tác, bảo vệ bề mặt, và chế tạo vật liệu quang học, nhờ những tính chất quang – điện đặc biệt và khả năng ứng dụng trong môi trường năng lượng cao.

Các dạng tinh thể của titan dioxide

Titan dioxide tự nhiên tồn tại chủ yếu dưới ba dạng tinh thể: rutile, anatase và brookite. Trong đó rutile là dạng ổn định nhất về nhiệt động khi ở điều kiện tiêu chuẩn, còn anatase có hoạt tính quang xúc tác tốt hơn trong nhiều ứng dụng, và brookite ít gặp hơn do không ổn định.

Đặc điểm từng dạng:

• Rutile: có chiết suất cao, ổn định, dùng phổ biến trong pigment và lớp phủ.
• Anatase: hoạt tính quang xúc tác cao, thường dùng trong xử lý môi trường và năng lượng mặt trời.
• Brookite: ít ứng dụng do khó điều khiển và không ổn định chuyển pha.

Sự chuyển pha giữa anatase và rutile có thể xảy ra khi gia nhiệt. Trong thực tế sản xuất, người ta điều khiển nhiệt độ và kích thước hạt để giữ lại pha thích hợp cho ứng dụng cần quang xúc tác hoặc pigment.

Tính chất vật lý và hóa học

Một trong những tính chất nổi bật nhất của TiO₂ là chiết suất cao, giúp tăng khả năng tán xạ ánh sáng và làm trắng mạnh khi dùng làm pigment. Chiết suất của rutile khoảng 2,609, trong khi anatase và brookite thấp hơn đôi chút.

Titan dioxide có điểm nóng chảy cao, khoảng 1.843 °C với dạng rutile. Nó không tan trong nước và phần lớn dung môi, và chỉ bị hòa tan trong các chất như axit mạnh (ví dụ HF) hoặc dung dịch kiềm đặc.

Về đặc tính quang học, TiO₂ hấp thụ mạnh tia cực tím trong vùng bước sóng khoảng 280–400 nm, làm nó trở thành vật liệu bảo vệ hiệu quả chống tia UV. Ngoài ra, tính ổn định hóa học, bền với oxi hóa và khả năng chịu mài mòn cũng là ưu điểm khiến nó được sử dụng trong lớp phủ ngoài trời và vật liệu kiến trúc.

Ứng dụng trong công nghiệp sơn, nhựa và giấy

Trong ngành sơn, TiO₂ là pigment trắng chủ lực do khả năng che phủ và độ bền cao. Khi phân tán tốt trong nhựa hoặc nền sơn, nó giúp tạo lớp phủ mờ, phản chiếu ánh sáng mạnh, cải thiện độ sáng và che khuất màu nền.

Trong nhựa và giấy, TiO₂ cũng được sử dụng để nâng cao độ trắng, độ bền ánh sáng và khả năng chống ố vàng. Với chi phí hợp lý và hiệu quả cao, nó là lựa chọn phổ biến để tăng giá trị thẩm mỹ và chất lượng vật liệu.

Ưu điểm khi dùng TiO₂ trong sơn và nhựa:

• Độ phủ cao giúp giảm lượng pigment cần dùng
• Tăng khả năng chống tia UV, chống lão hóa cho lớp phủ
• Tương thích với nhiều loại chất mang và dung môi

Link tham khảo về ứng dụng pigment: American Chemistry Council – Titanium Dioxide Uses

Vai trò trong mỹ phẩm và kem chống nắng

Titan dioxide là một thành phần phổ biến trong các sản phẩm chăm sóc cá nhân, đặc biệt là kem chống nắng vật lý. Nhờ khả năng phản xạ và tán xạ tia cực tím, TiO₂ bảo vệ da khỏi tác hại của cả tia UVA và UVB mà không cần hấp thụ vào da như các chất chống nắng hóa học.

Cơ chế bảo vệ UV của TiO₂ dựa trên nguyên lý quang học – phản xạ bề mặt và tán xạ nội bộ các tia UV khi tiếp xúc với da. Bằng cách này, nó tạo ra một "hàng rào vật lý" ngăn không cho tia UV xuyên sâu vào lớp biểu bì. Đặc biệt, dạng nano của TiO₂ thường được sử dụng để hạn chế vệt trắng khi thoa trên da, đồng thời vẫn giữ được hiệu quả lọc tia.

Ngoài kem chống nắng, TiO₂ còn xuất hiện trong:

• Phấn nền và kem che khuyết điểm (tạo độ mờ và trắng sáng)
• Sản phẩm trang điểm không chứa dầu (oil-free makeup)
• Mặt nạ và kem dưỡng làm sáng da

Ứng dụng trong quang xúc tác và xử lý môi trường

Một trong những tính chất đáng chú ý nhất của TiO₂, đặc biệt ở dạng anatase, là khả năng hoạt động như chất quang xúc tác dưới ánh sáng UV. Khi hấp thụ photon có năng lượng lớn hơn khoảng cách vùng cấm (band gap) của TiO₂, vật liệu này tạo ra cặp điện tử – lỗ trống có khả năng tạo ra gốc hydroxyl tự do (•OH), một chất oxy hóa mạnh có thể phân hủy các chất hữu cơ ô nhiễm.

Phản ứng chính: $TiO_2 + h\nu \rightarrow e^- + h^+$ $h^+ + H_2O \rightarrow \cdot OH + H^+$ $e^- + O_2 \rightarrow \cdot O_2^-$

Ứng dụng điển hình:

• Xử lý nước thải chứa thuốc trừ sâu, thuốc nhuộm, phenol
• Làm sạch không khí (lọc VOC và khí độc hại)
• Bề mặt tự làm sạch trong kính phủ TiO₂ và gạch xây dựng

Công nghệ pin mặt trời và cảm biến

Titan dioxide là vật liệu phổ biến trong các loại pin năng lượng mặt trời kiểu Dye-Sensitized Solar Cell (DSSC), nơi TiO₂ dạng hạt nano được sử dụng làm chất nền để hấp thụ chất nhuộm nhạy sáng. Cấu trúc xốp của lớp TiO₂ cho phép tăng diện tích bề mặt, giúp hấp thụ photon hiệu quả hơn.

Ngoài ra, TiO₂ còn được ứng dụng trong:

• Pin mặt trời perovskite làm lớp electron transport layer (ETL)
• Cảm biến khí (detect VOC, NO₂, NH₃) dựa trên thay đổi điện trở khi hấp thụ khí
• Thiết bị điện tử màng mỏng trong IoT, sensor môi trường

Do tính ổn định nhiệt, bền hóa học và chi phí thấp, TiO₂ trở thành vật liệu thay thế tiềm năng trong các thiết bị điện tử in hoặc mềm (flexible electronics).

Lo ngại về ảnh hưởng sức khỏe và môi trường

Mặc dù được sử dụng rộng rãi, việc tiếp xúc lâu dài với TiO₂ dạng hạt mịn (PM) hoặc nano hạt có thể gây ra các vấn đề sức khỏe. Tổ chức IARC xếp TiO₂ vào nhóm 2B – "có thể gây ung thư cho người" khi hít phải lượng lớn, trong khi tiếp xúc qua da và tiêu hóa được cho là an toàn ở mức thông thường.

Một số nghiên cứu chỉ ra rằng hạt nano có thể thâm nhập vào mô phổi hoặc qua hàng rào máu não nếu xâm nhập đủ sâu. Do đó, một số quốc gia yêu cầu gắn nhãn rõ ràng khi sản phẩm chứa nano-TiO₂.

Cơ quan An toàn Thực phẩm Châu Âu (EFSA) năm 2021 khuyến cáo ngừng sử dụng TiO₂ làm phụ gia thực phẩm vì chưa thể loại trừ khả năng gây độc gen, mặc dù chưa có bằng chứng chắc chắn gây ung thư khi tiêu hóa.

Phương pháp sản xuất và xử lý titan dioxide

Hiện nay có hai phương pháp chính để sản xuất titan dioxide công nghiệp:

• Quy trình sulfate: sử dụng quặng ilmenite, hòa tan bằng axit sulfuric, tạo titan oxysulfate và kết tủa TiO₂
• Quy trình chloride: chuyển quặng rutile thành titan tetrachloride (TiCl₄), sau đó oxy hóa ở nhiệt độ cao để tạo TiO₂ tinh khiết

So sánh giữa hai quy trình:

Tiêu chí	Quy trình sulfate	Quy trình chloride
Nguyên liệu	Ilmenite (rẻ hơn)	Rutile tự nhiên hoặc tổng hợp (đắt hơn)
Chất lượng sản phẩm	Trắng vừa, anatase nhiều	Rutile tinh khiết cao
Thân thiện môi trường	Thải axit nhiều	Sạch hơn, tuần hoàn TiCl₄

Các hãng lớn như Tronox và Chemours hiện sử dụng cả hai công nghệ tùy theo mục tiêu thị trường và yêu cầu ứng dụng cuối cùng.

Tài liệu tham khảo

1. Diebold, U. (2003). The surface science of titanium dioxide. Surface Science Reports, 48(5–8), 53–229.
2. FDA. Titanium Dioxide in Cosmetics. U.S. Food and Drug Administration.
3. EFSA Panel on Food Additives and Flavourings. (2021). Safety assessment of titanium dioxide (E171) as a food additive. EFSA Journal, 19(5).
4. American Chemistry Council – Titanium Dioxide Overview.
5. ScienceDirect – Topics in Materials Science: Titanium Dioxide.
6. Royal Society of Chemistry – TiO₂ nanostructures in environmental systems.