Titanium dioxide là gì? Các nghiên cứu khoa học về TiO₂

Định nghĩa và tính chất cơ bản của titanium dioxide

Titanium dioxide (TiO₂) là một hợp chất vô cơ thuộc nhóm oxit kim loại, được cấu tạo từ hai nguyên tử oxy và một nguyên tử titan. Nó xuất hiện dưới dạng bột màu trắng, không mùi, không tan trong nước và bền trong môi trường hóa học thông thường. Đặc tính nổi bật nhất của TiO₂ là chỉ số khúc xạ rất cao (~2.7 với rutile), khiến nó trở thành chất màu trắng hiệu quả nhất hiện nay.

Nhờ khả năng tán xạ và phản xạ mạnh ánh sáng nhìn thấy cũng như tia cực tím (UV), titanium dioxide được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Nó không chỉ đóng vai trò là chất tạo màu mà còn có vai trò như một lớp chắn UV, chất xúc tác và vật liệu chức năng trong các thiết bị điện tử và năng lượng.

Ở điều kiện thường, TiO₂ tồn tại ở thể rắn, nhiệt độ nóng chảy cao (1843 °C), không dẫn điện nhưng dẫn nhiệt kém. Cấu trúc tinh thể và tính chất bề mặt ảnh hưởng mạnh đến các ứng dụng thực tế của vật liệu này.

Tham khảo thêm: ScienceDirect - Titanium Dioxide

Các dạng thù hình và tính chất cấu trúc

Titanium dioxide tồn tại chủ yếu ở ba dạng thù hình tinh thể tự nhiên: rutile, anatase và brookite. Trong đó, rutile là dạng bền nhất về mặt nhiệt động học và là dạng phổ biến nhất trong các sản phẩm thương mại. Anatase tuy kém ổn định hơn nhưng có hoạt tính quang xúc tác cao, trong khi brookite ít được ứng dụng do khó tổng hợp ở quy mô lớn.

Các thù hình có khác biệt rõ rệt về cấu trúc tinh thể, kích thước hạt, độ bền và tính chất quang học. Anatase có bandgap rộng hơn (~3.2 eV) so với rutile (~3.0 eV), tạo điều kiện thuận lợi cho ứng dụng trong các phản ứng quang hóa dưới ánh sáng UV.

Thù hình	Cấu trúc tinh thể	Bandgap (eV)	Hoạt tính quang xúc tác	Ổn định nhiệt
Rutile	Tứ phương	~3.0	Thấp	Cao
Anatase	Tứ phương	~3.2	Cao	Thấp
Brookite	Trực thoi	~3.4	Không rõ	Trung bình

Xem thêm: ChemEurope - Titanium Dioxide

Tính chất quang học và quang xúc tác

TiO₂ có khả năng hấp thụ mạnh ánh sáng tử ngoại do có bandgap tương đối lớn, từ đó tạo ra các cặp electron-hole ($e^-/h^+$). Các hạt tích điện này sẽ tiếp tục tương tác với phân tử nước và oxy trong môi trường để tạo ra các gốc tự do như hydroxyl (•OH) và superoxide (O₂•⁻), từ đó phân hủy các hợp chất hữu cơ hoặc vi khuẩn.

Phản ứng sơ cấp dưới ánh sáng UV được mô tả như sau:

$TiO_2 + h\nu \rightarrow e^- + h^+$

Ứng dụng của tính chất này bao gồm:

• Vật liệu tự làm sạch (self-cleaning surface)
• Xử lý nước thải chứa chất hữu cơ khó phân hủy
• Tiêu diệt vi khuẩn, virus trong thiết bị khử trùng UV

Anatase thường được ưa chuộng trong các ứng dụng quang xúc tác nhờ hiệu suất tạo gốc tự do cao hơn rutile. Tuy nhiên, sự kết hợp giữa anatase và rutile trong các dạng composite cũng đang được nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định.

Xem thêm: Nature Reviews Materials - TiO₂ Photocatalysis

Ứng dụng công nghiệp của titanium dioxide

TiO₂ là một trong những vật liệu được tiêu thụ nhiều nhất trong công nghiệp do khả năng phản xạ ánh sáng mạnh và độ che phủ tốt. Hơn 60% lượng TiO₂ được sử dụng trong ngành sơn và chất phủ bề mặt, nơi nó giúp tạo ra lớp sơn sáng, bền màu và chống tia UV.

Ứng dụng tiêu biểu của titanium dioxide gồm:

• Sơn nước, sơn dầu cho xây dựng và ô tô
• Nhựa và cao su: cải thiện màu sắc và khả năng chống lão hóa
• Giấy và mực in: nâng cao độ trắng và độ phản xạ

Đặc biệt, TiO₂ còn được ứng dụng trong các lĩnh vực kỹ thuật cao như màng điện cực trong pin năng lượng mặt trời, vật liệu phủ trong kính tự làm sạch và gốm sứ chịu nhiệt.

Chi tiết thêm: AZoM - Titanium Dioxide: Properties and Applications

Vai trò của titanium dioxide trong mỹ phẩm và dược phẩm

Titanium dioxide là một thành phần thường gặp trong mỹ phẩm, đặc biệt là kem chống nắng vật lý nhờ khả năng phản xạ và tán xạ tia cực tím. Cơ chế hoạt động của nó chủ yếu dựa trên việc tạo lớp màng chắn ánh sáng UV trên bề mặt da, hạn chế sự xuyên qua của tia UVA và UVB, giúp ngăn ngừa ung thư da và lão hóa sớm.

Dạng hạt nano TiO₂ (< 100 nm) cho phép cải thiện độ trong suốt và cảm giác khi thoa lên da mà không làm giảm hiệu quả chống nắng. Tuy nhiên, việc sử dụng TiO₂ nano đang là chủ đề tranh luận do lo ngại về khả năng xâm nhập vào tế bào hoặc gây tổn thương DNA khi bị kích hoạt bởi ánh sáng UV.

• Trong mỹ phẩm: kem nền, phấn trang điểm, son môi
• Trong dược phẩm: chất tạo màu viên nén, lớp phủ thuốc giải phóng chậm

FDA (Mỹ) và EFSA (Châu Âu) đã chấp thuận việc sử dụng TiO₂ dạng thông thường trong mỹ phẩm và thực phẩm, nhưng một số quốc gia như Pháp đã cấm dùng TiO₂ làm phụ gia thực phẩm do lo ngại an toàn lâu dài.

Xem đánh giá từ EFSA: EFSA Journal - Titanium Dioxide as Food Additive

Ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường

Titanium dioxide dạng hạt lớn không bị hấp thu đáng kể qua da hay hệ tiêu hóa và được xem là an toàn trong phần lớn ứng dụng tiêu dùng. Tuy nhiên, dạng hạt mịn (fine particles) hoặc nano có thể gây tác động lên hệ hô hấp nếu hít phải lâu dài, đặc biệt trong môi trường công nghiệp như sản xuất sơn, xi măng hoặc mỹ phẩm dạng bột.

Cơ quan nghiên cứu ung thư quốc tế (IARC) xếp titanium dioxide dạng hít phải vào nhóm 2B – “có thể gây ung thư ở người”, dựa trên nghiên cứu ở chuột cho thấy sự phát triển của khối u phổi khi tiếp xúc kéo dài với bụi TiO₂.

Hình thức tiếp xúc	Nguy cơ	Khuyến cáo
Qua da	Thấp, không thấm qua biểu bì	Được phép dùng trong mỹ phẩm
Qua đường tiêu hóa	Tranh cãi, chưa rõ khả năng tích lũy	Cấm dùng làm phụ gia thực phẩm tại EU
Qua đường hô hấp	Có thể gây tổn thương phổi nếu tiếp xúc lâu dài	Cần bảo hộ cá nhân trong sản xuất

Chi tiết: IARC Monographs - Titanium Dioxide

Các phương pháp tổng hợp và xử lý titanium dioxide

TiO₂ được sản xuất thương mại bằng hai quy trình chính: quy trình sunfat (sulfate process) và quy trình chlorua (chloride process). Cả hai đều sử dụng nguyên liệu chính là ilmenite (FeTiO₃) hoặc rutile thiên nhiên. Quy trình sunfat rẻ nhưng tạo nhiều chất thải, trong khi quy trình chlorua hiệu quả hơn về mặt môi trường và tạo ra sản phẩm có độ trắng cao.

Đối với mục đích nghiên cứu và ứng dụng nano, titanium dioxide có thể được tổng hợp bằng các kỹ thuật hiện đại như:

• Sol-gel: tạo hạt nhỏ có kiểm soát kích thước
• Thủy nhiệt: tạo tinh thể anatase hoặc brookite ở nhiệt độ thấp
• Phân hủy nhiệt các hợp chất titan hữu cơ

Việc xử lý bề mặt TiO₂ bằng silica hoặc alumina cũng giúp ổn định hạt, giảm tác động oxy hóa và tăng độ phân tán trong dung dịch.

Xem mô tả chi tiết: ScienceDirect - TiO₂ Nanoparticles Synthesis Methods

Tiềm năng trong công nghệ năng lượng và môi trường

TiO₂ đang được nghiên cứu rộng rãi trong các hệ thống chuyển hóa năng lượng và làm sạch môi trường nhờ khả năng quang xúc tác dưới ánh sáng cực tím. Trong lĩnh vực năng lượng, TiO₂ được sử dụng làm vật liệu nền trong các tế bào năng lượng mặt trời nhạy màu (DSSC), với cấu trúc nano giúp tăng diện tích bề mặt hấp phụ thuốc nhuộm và hiệu suất chuyển đổi.

Trong lĩnh vực môi trường, TiO₂ được ứng dụng để xử lý chất thải hữu cơ và kháng sinh trong nước thông qua quá trình quang phân. Ngoài ra, vật liệu phủ TiO₂ còn giúp bề mặt kính, gạch men hoặc kim loại trở nên tự làm sạch và kháng khuẩn.

Các ứng dụng tiêu biểu:

• Tấm pin mặt trời DSSC
• Lọc nước bằng ánh sáng UV
• Bề mặt kháng vi sinh cho bệnh viện và giao thông công cộng

Nghiên cứu: ACS Chemical Reviews - TiO₂ Photocatalysis for Energy and Environment

Hướng nghiên cứu mới và xu hướng tương lai

Các hướng nghiên cứu hiện đại về titanium dioxide tập trung vào việc cải thiện hiệu suất hấp thụ ánh sáng và tăng độ an toàn sinh học. Một trong những chiến lược chính là pha tạp TiO₂ với các kim loại chuyển tiếp như Fe, Cr hoặc Ni để giảm bandgap, cho phép hấp thụ ánh sáng khả kiến.

Các hướng phát triển khác bao gồm kết hợp TiO₂ với vật liệu graphene, oxit kim loại khác (ZnO, WO₃) hoặc vật liệu 2D để cải thiện tính dẫn điện và giảm tái tổ hợp electron-hole. Bên cạnh đó, nhiều nghiên cứu đang tập trung vào mô hình hóa và mô phỏng động học phản ứng quang xúc tác ở cấp độ nguyên tử.

• Thiết kế composite TiO₂-graphene
• Pha tạp ion kim loại và phi kim
• Ứng dụng AI trong tối ưu hóa vật liệu quang xúc tác

Xu hướng: Journal of Advanced Research - Advances in Titanium Dioxide Modification