Structure, Morphology and Conductive Properties of Sn-doped TiO2

Abstract

У роботі досліджено вплив легування Sn на структуру та морфологію Sn-легованих зразків TiO2. Легований діоксид титану отримувався золь-гель методом з використанням аквакомплексу [Ti(OH2)6] 3+·3Cl- як прекурсору титану і SnCl4 як модифікатора. Структура і морфологія зразків досліджувалися методами Х-променевої дифрактометрії, ТЕМ аналізу, низькотемпературної порометрії, ІЧ та енергодисперсійної спектроскопії. Провідність Sn-легованих зразків ТіО2 вивчалася методом імпедансної спектроскопії. Встановлено, що Sn-леговані зразки діоксиду титану містять кристалічні фази анатазу і рутилу. Співвідношення анатаз/рутил залежить від вмісту Sn: збільшення вмісту Sn(IV) від 3 до 12 % (ваг.) зумовлює збільшення вмісту рутилу від 33,8 to 97,1 % (ваг.). Ріст вмісту Sn також призводить до зменшення параметра кристалічної ґратки а та збільшення параметра с. ТЕМ-методом виявлено наявність стрежневидних і голковидних частинок рутилу в Sn-легованих зразках ТіО2. Величина питомої поверхні для зразка 6Sn/TiO2 становить 290 м2/г. Усі зразки Sn-легованого діоксиду титану є мезопористими. Механізми структуроутворюючих процесів пояснюються присутністю в реакційному середовищі молекул Sn(OH)4·2H2O, які діють як центри нуклеації, росту та кристалізації для наночастинок рутилу. Збільшення вмісту Sn зумовлює також зменшення питомого опору досліджуваних матеріалів порівняно із нелегованим зразком діоксиду титану.

The effect of Sn doping on the structure and morphology of Sn-doped TiO2 samples has been investigated. The doped titania has been obtained by sol-gel synthesis using titanium aquacomplex precursor [Ti(OH2)6] 3+·3Cl– and SnCl4 as a modifier. The structure and morphology of the samples have been studied through XRD analysis, TEM, low-temperature porometry, IR-spectroscopy, and EDS analysis. The conductivity of Sn-doped TiO2 samples has been investigated by impedance spectroscopy. It was shown that the Sn-doped titania samples contain both anatase and rutile phases. The anatase/rutile ratio depends on the Sn content: the increasing Sn (IV) content from 3 to 12 % (wt.) leads to an increase in rutile content from 33.8 to 97.1 % (wt.). An increase in Sn content causes a decrease in the lattice parameter a and an increase in the parameter c. The presence of rod-shaped and needle-like rutile particles in the Sn-doped TiO2 samples has been observed by TEM. The specific surface area for 6Sn/TiO2 reached 290 m2/g. All the Sn-doped titania samples belong to the mesoporous materials. The mechanism of structure-forming processes is explained by existing Sn(OH)4·2H2O molecules in the reaction medium, which act as the centers of nucleation, growth and crystallization for rutile nanoparticles. The increase in Sn content leads to a decrease in the specific resistance of the studied materials compared to the undoped titania sample.