Sol-gel Synthesis of Titania Nanoparticles for Photonic and Transformer Applications

Abstract

Наночастинки титану мають кілька промислових застосувань, включаючи косметику, оптичні, фотонні та електричні пристрої. Однак промислове виробництво цих частинок є важким і складним процесом і залежить від різноманітних фізичних характеристик, таких, наприклад, як температура. Це дослідження описує миттєвий промисловий метод виробництва наночастинок оксиду титану за допомогою вологого хімічного золь-гель синтезу. Аналіз синтезованих наночастинок оксиду титану за допомогою рентгенівської дифрактонограми (XRD) та інфрачервоної спектроскопії з перетворенням Фур’є (FTIR) виявив сильний дифракційний пік під кутом Брегга 25°, який можна віднести до фази анатазу оксиду титану, і вібраційні зв’язки при 463 см – 1 , що підтверджує наявність оксиду титану. Морфологію цих наночастинок діоксиду титану досліджували за допомогою скануючого електронного мікроскопа з емісією поля (FESEM), який визначив розмір частинок приблизно 37 нм. За допомогою спектроскопії дифузного відбиття (DRS) було вивчено оптичні властивості синтезованих наночастинок і визначено, що їх ширина забороненої зони становить 3,37 еВ. За кімнатної температури вимірювали діелектричну проникність і втрати наночастинок оксиду титану як функцію частоти. Крім того, частинки оксиду титану були змішані з трансформаторним маслом для оцінки його діелектричної міцності на пробій для кращих ізоляційних властивостей.Titania nanoparticles have several industrial applications, including cosmetics, optical, photonic, and electrical devices. However, industrial production of these particles is difficult, complicated, and dependent on a variety of physical characteristics such as temperature and infrastructure availability. This research describes an instant industrial method for producing titania nanoparticles using a wet chemical sol-gel synthesis. X-ray diffractogram (XRD) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis of as-synthesized titania nanoparticles revealed a strong diffraction peak at Bragg angle 25°, which can be attributed to the titania anatase phase, and vibration bonds at 463 cm – 1, which confirms the presence of titania. The morphology of these titania nanoparticles was examined using a field emission scanning electron microscope (FESEM), which determined the particle size to be around 37 nm. Using diffuse reflectance spectroscopy (DRS), the optical properties of the as-synthesized nanoparticles were studied, and their band gap was determined to be 3.37 eV. At room temperature, the dielectric constant and loss of titania nanoparticles were measured as a function of frequency. Additionally, titania particles were mixed into transformer oil to assess its dielectric breakdown strength for better insulating properties.