تیتانات استرانسیم : خواص، روش سنتز، طیف IR و کاربردها

 

تیتانات استرانسیم حاصل ترکیب یک اکسید استرانسیم و تیتانیوم است که به شکل کریستال های سفید و مات وجود دارد. در دمای اتاق، یک ماده پارالکتریک متقارن با ساختار پروسکیت است. در دمای پایین به یک مرحله انتقال فروالکتریک با ثابت دی الکتریک بسیار بزرگ نزدیک می شود اما تا پایین ترین دما که در نتیجه نوسانات کوانتوم اندازه گیری می شود، به یک الکتریک کوانتومی تبدیل می شود.

 

مدت ها تصور می شد که این یک ماده کاملاً مصنوعی است، تا سال ۱۹۸۲ که همتای طبیعی آن – که در سیبری کشف شد و نام آن تاوسونیت بود – توسط IMA شناخته شد. تاوسونیت یک ماده معدنی بسیار نادر در طبیعت است که به صورت بلورهای بسیار ریزی وجود دارد.

 

مهمترین کاربرد استرانسیم تیتانات به صورت سنتزی است که در آن گاهاً به عنوان یک ماده شبیه الماس، در اپتیک دقیق، در واریستور و سرامیک پیشرفته دیده می شود. نام تاوسونیت به افتخار لو ولادیمیرویچ تاوسون، ژئوشیمیدان روسی نامگذاری شد. نام های تجاری استفاده نشده از این محصول مصنوعی شامل مزوتیتانات استرانسیم، دیاژم و مارولیت است.

 

خواص و مشخصات شناسایی تیتانات استرانسیم

 

خواص  مشخصات
شکل فیزیکی                                               بلوهای سفید و مات فرمول شیمیایی                                                                   SrTiO۳
دانسیته                                                                  (g/cm۳)۵.۱۱ وزن مولکولی                                                       (g/mol) 183.49
نقطه ذوب                                                                (۰C) 2080 شماره (CAS No)                                                      ۱۲۰۶۰-۵۹-۲
حلالیت در آب                                                                نامحلول ساختار کریستالی                                         مکعبی پروسکیت

 

ویژگی های الکترونیکی، ساختاری، الاستیک و نوری تیتانات استرانسیم در مقاله ای با همین عنوان، در سال ۲۰۱۲ منتشر شده است که با کلیک بر اینجا می توانید متن کامل آن را مطالعه بفرمایید.

 

روش سنتز

 

تیتانات استرانسیوم مصنوعی یکی از چندین تیتاناتی بوده است که در اواخر دهه ۱۹۴۰ و اوایل دهه ۱۹۵۰ ثبت اختراع گردیده است و همچنین سایر تیتانات ها شامل تیتانات باریم و تیتانات کلسیم نیز در آن دوره کشف شده اند. تحقیقات بر روی استرانسیم تیتانات در درجه اول در شرکت سرب ملی (بعداً به NL Industries تغییر نام یافت) در ایالات متحده توسط لئون مرکر و لانگتری ای لیند انجام شده بوده است.

 

اصلاح فرآیند اساسی ورنویل که همچنین به عنوان همجوشی شعله شناخته می شود، روش مطلوب رشد است. از یک لوله تخلیه اکسیژن-هیدروژن معکوس استفاده می شود که پودر خوراک مخلوط با اکسیژن و با دقت از طریق لوله منفذ به روش معمول تغذیه می شود، اما با افزودن لوله سوم برای تحویل اکسیژن – ایجاد یک مشعل سه حلقه ای انجام می گردد.

 

پودر خوراک بسیار خالص شده با تولید نمک دو اگزالات تیتانیل و با واکنش کلرید استرانسیم  و اسید اگزالیک با تتراکلرید تیتانیوم  بدست می آید. نمک برای از بین بردن کامل کلرید شسته می شود، و تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد گرم می شود تا پودر دانه ای با جریان آزاد از ترکیب مورد نیاز تولید شود و سپس آسیاب و الک می شود تا اندازه ذرات بین ۰.۲-۰.۵ میکرومتر شود.

 

لایه های نازک SrTiO۳ را می توان با روش های مختلف از جمله رسوب لیزر پالس، اپیتاکسی پرتوی مولکولی، پاشش RF و رسوب لایه اتمی به صورت اپیتاکسالی رشد داد. همانطور که در اکثر لایه های نازک، روش های مختلف رشد می توانند به طور قابل توجهی متفاوت در تراکم نقص و ناخالصی و کیفیت بلوری باشند، و در نتیجه تغییرات زیادی از خصوصیات الکترونیکی و نوری محصول ایجاد می شود.

 

طیف ATR – IR

 

طیف ATR - IR

 

کاربردهای تیتانات استرانسیم

 

استفاده در ژنراتورهای ترموالکتریک رادیوایزوتوپ

 

تیتانات استرانسیم به دلیل نقطه ذوب بالا و عدم حلالیت، به عنوان ماده حاوی استرانسیم ۹۰ در ژنراتورهای ترموالکتریک رادیو ایزوتوپ مانند سری Sentinel ایالات متحده و Beta-M شوروی استفاده شده است.

 

از طرفی دیگر، نانوکریستال های مزوپور استرانسیوم تیتانات به عنوان ماده فوتوالکترود برای دستگاه های خورشیدی با حساسیت به نور به کار رفته اند و افزایش ولتاژ نوری از طریق مهندسی پتانسیل باند مسطح تحت مقاله ای در سال ۱۹۹۹ مورد بررسی قرار گرفته است.

 

استرانسیوم تیتانات به عنوان ماده شبیه الماس استفاده می شود!

 

کاربردهای تیتانات استرانسیم

 

ساختار مکعبی و پراکندگی زیاد تیتانات استرانسیم، یک بار باعث شده است که استرانسیم مصنوعی کاندید اصلی برای شبیه سازی الماس باشد و در سال ۱۹۵۵ میلادی، مقادیر زیادی از این ماده برای این هدف تنها تولید شده است.

 

با وجود قدیمی بودن، تیتانات استرانسیوم هنوز تولید می شود و به طور دوره ای در جواهرات به کار می رود و یکی از گرانترین شبیه سازهای الماس است و به دلیل کمیاب بودن آن، ممکن است برای نمونه های بزرگ بالای ۲ عیار (۴۰۰ میلی گرم) برای آن حق بیمه پرداخت شود!

 

کاربرد در پیل های سوختی اکسید جامد

 

هدایت الکتریکی مخلوط تیتانات استرانسیم توجه را برای استفاده در سلول های سوختی اکسید جامد (SOFC) جلب کرده است. این ماده رسانایی الکترونیکی و یونی از خود نشان می دهد که برای الکترودهای SOFC مفید است زیرا در مواد و الکترون های دو طرف سلول تبادل یون های گاز و اکسیژن وجود دارد.

 

(آند) 

(کاتد)

 

تیتانات استرانسیم با مواد مختلفی برای استفاده در اضلاع مختلف سلول سوختی دوپینگ می شود. در طرف سوخت (آند)، جایی که اولین واکنش رخ می دهد، اغلب با لانتانیم دوپ می شود تا تیتانات استرانسیوم دوپ شده با لانتانیم (LST) ایجاد شود.

 

یکی از مزایای اصلی LST این است که مقاومت در برابر مسمومیت با گوگرد را نشان می دهد، و این مسئله مربوط به آندهای نیکل – سرامیک (سرمت) است که در حال حاضر استفاده می شوند. این کاتدها همچنین دارای این مزیت هستند که حاوی فلزات کمیاب خاکی نیستند که باعث ارزان شدن آنها نسبت به بسیاری از گزینه ها می شود.

 

یکی دیگر از ترکیبات مرتبط، فریت تیتانیوم استرانسیم (STF) است که از مواد کاتدی (سمت اکسیژن) در SOFC ها استفاده می شود. تیتانات استرانسیم همچنین هدایت یونی و الکترونیکی مخلوط را نشان می دهد که از اهمیت زیادی برخوردار است زیرا به معنای آن است که واکنش کاهشی که در کاتد اتفاق می افتد می تواند در منطقه وسیع تری رخ دهد.