CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE

Thermodynamic analysis of nanocrystal formation in the TiO$_2$–H$_2$O (NaOH, HCl) system

[Термодинамический анализ формирования нанокристаллов в системе TiO$_2$–H$_2$O (NaOH, HCl)]

D. P. Elovikov, O. V. Almjasheva, V. V. Gusarov

Branch of Petersburg Nuclear Physics Institute named by B.P. Konstantinov of National Research Centre "Kurchatov Institute" – Institute of Silicate Chemistry, St. Petersburg, Russia

Аннотация: В работе проведен термодинамический анализ кристаллизации диоксида титана в модификациях анатаза, брукита и рутила из водно-солевых растворов с учетом влияния pH среды, температуры, концентрации реагентов и удельной поверхностной энергии фаз $(\sigma)$. Показано, что выбор величины $\sigma$ для термодинамического анализа кристаллизации анатаза является определяющим: при $\sigma_A$ = 0.3 Дж/м$^2$ минимальный размер частиц определяется кристаллохимическим критерием ($l_{min}$ $\sim$5–7 нм), а при $\sigma_A$ = 1.3 Дж/м$^2$ – термодинамическими критериями ($d_{crit}$ $\sim$8 нм, $d_{eq}$ $\sim$12 нм). С использованием значений $\sigma$, наиболее приближенных к условиям гидратированной поверхности TiO$_2$ ($\sigma_R$ = 1.79, $\sigma_B$ = 1.0, $\sigma_A$ = 1.13 Дж/м$^2$) определены области возможной кристаллизации каждой модификации. Рутил может кристаллизоваться в относительно широком диапазоне величин pH 0.8–14 (25$^\circ$С) и 1.1–10.2 (200$^\circ$С), а минимальные размеры частиц рутила в этих условиях определяются термодинамическими критериями – $d_{crit}$ и $d_{eq}$. Для брукита и анатаза в кислых и щелочных условиях (pH $\sim$1–3 и 9–14) минимальные размеры также, как и для рутила определяются термодинамическими критериями, тогда как в нейтральной области – кристаллохимическим критерием $l_{min}$. На основе анализа структурных переходов установлено, что анатаз может трансформироваться в рутил или брукит при размерах частиц более $\sim$16 нм. Рассчитанный размер перехода брукит $\to$ рутил составляет $\sim$712 нм.

Ключевые слова: нанокристаллы, оксид титана, критический зародыш.

Поступила в редакцию: 22.09.2025
Исправленный вариант: 10.10.2025
Принята в печать: 21.10.2025

Язык публикации: английский

DOI: 10.17586/2220-8054-2025-16-6-802-811