The Reactivity of Anatase TiO2 (211) Surface and the Bond- Charge Counting Model

Abstract

In this chapter, we intend to present a generic understanding of surface reactivity and water dissociation on TiO 2 surfaces through a study of anatase TiO 2 (211) surface-an idea model surface containing both four-coordinated Ti atom (Ti 4 ) and five-coordinated Ti atom (Ti 5 ). Our first-principles calculations show that the (211) surface is a high reactivity surface and reveal that water molecule can be easily dissociated on a Ti 4 site while it hardly dissociates on Ti 5 site. Furthermore, we introduce bond-charge counting model to clarify the mechanism. More generally, after an intensive investigation of literature, we found that the bond-charge counting model is applicable to all anatase and rutile TiO 2 surfaces including step edges and vacancies where the reactivity of surfaces enable to dissociate water attribute to the existence of Ti 4 atom or equivalent Ti 4 atom.

Contact Angle Relaxation on Amorphous, Mixed-Phase (Anatase + Rutile), and Anatase TiO2 Films and Its Mechanism

“…This result indicates that each film’s intrinsic surface energy or structure has a significant influence on the relaxation. As mentioned above, the (211) preferred anatase TiO 2 film has a higher surface energy and prefers dissociative surface water adsorption compared to the other two films. , In our previous studies, dissociative adsorption was one of the imperative factors to achieve short-term and long-term hydrophilicity on TiO 2 surfaces; by contrast, the molecularly adsorbed water adsorbates did not contribute to the hydrophilicity. , The high surface energy of anatase with (211) oriented crystals induces strong dissociative adsorption and causes the high-performance long-lasting hydrophilicity. Likewise, the similar relaxation curves of the amorphous and mixed-phase films indicate that both films may be due to lower surface energies of both films which prefer the weak molecular adsorption of water or easier relaxation over time.…”

“…Anatase and mixed-phase TiO 2 have the strong A(101) peak in common, but the anatase TiO 2 films containing the reactive A(211) facet have a more reactive surface than mixed-phase TiO 2 . According to previous work, A(101) and R(110) are known to be the most thermodynamically stable surfaces (0.52 J/m 2 and 0.35 J/m 2 , respectively); by contrast, the A(211) surface is reactive with a higher surface energy (0.97 J/m 2 ). In our previous study, A(211) oriented polycrystal anatase films exhibited a much lower contact angle (<10°; more hydrophilic) than amorphous or mixed-phase TiO 2 films .…”

“…As mentioned above, the (211) preferred anatase TiO 2 film has a higher surface energy and prefers dissociative surface water adsorption compared to the other two films. 22,25 In our previous studies, dissociative adsorption was one of the imperative factors to achieve short-term and long-term hydrophilicity on TiO 2 surfaces; by contrast, the molecularly adsorbed water adsorbates did not contribute to the hydrophilicity. 6,22 The high surface energy of anatase with (211) oriented crystals induces strong dissociative adsorption and causes the high-performance long-lasting hydrophilicity.…”

Slabs of Crystallographic Planes of Rutile TiO2 as a Photocatalytic Surface

“…The work on (301) and (211) has not been found in literature of TiO 2 rutile especially in term of the density of state of an electron. However, the (211) surface of anatase is reported a high reactivity surface and reveal that water molecule can be easily dissociated on a Ti 4+ [22], similarly adsorption of selected ions on (101) surface [6].…”

การเตรียมวัสดุทดแทนกระดูกไทเทเนียมไดออกไซด์ที่มีรูพรุนต่อเนื่อง

“…นำวั สดุ ทดแทนกระดู กไทเทเนี ยมไดออกไซด์ Degussa P25 ที ่ ผ่ านการเผามาวิ เคราะห์ องค์ ประกอบเฟสด้ วยเทคนิ ค XRD พบว่ าชิ ้ นงานที ่ ผ่ านการเผานั ้ นได้ เปลี ่ ยนจากเฟสอะนาเทส เป็ นเฟสรู ไทล์ จนหมด เช่ นเดี ยวกั บวั สดุ ทดแทนกระดู กไทเทเนี ยมไดออกไซด์ R818 เมื ่ อผ่ านการ เผาพบว่ าไม่ เกิ ดการเปลี ่ ยนแปลงของเฟสเกิ ดขึ ้ น ยั งคงมี เฟสรู ไทล์ เป็ นหลั ก เนื ่ องจากเป็ นเฟสที ่ มี ความเสถี ยร ไม่ เกิ ดการเปลี ่ ยนแปลงเมื ่ อถู กให้ ความร้ อน ในวั สดุ ทดแทนกระดู กไทเทเนี ยมได ออกไซด์ ทั ้ งสองชนิ ดที ่ อุ ณหภู มิ การเผาที ่ แตกต่ างกั นนั ้ น ไม่ พบว่ าเกิ ดการเปลี ่ ยนแปลงของ ปริ มาณเฟสรู ไทล์ ที ่ เพิ ่ มขึ ้ นหรื อลดลงอย่ างชั ดเจน แต่ ในบางกรณี เกิ ดการเปลี ่ ยนแปลงในการ จั ดเรี ยงตั วของอนุ ภาคในเฟสอะนาเทสหรื อรู ไทล์ ในระหว่ างการเผา เนื ่ องจากการเติ มสาร แคลเซี ยมคลอไรด์ ส่ งผลให้ เกิ ดการจั ดเรี ยงตั วใหม่ ของอนุ ภาคในระหว่ างการเผาซึ ่ งสามารถเข้ า แทรกหรื อแทนที ่ ออกซิ เจนในหน่ วยเซลล์ (Unit cell) ทำให้ เกิ ดการยื ดหรื อหดของแลตทิ ช (Lattice) ที ่ เปลี ่ ยนแปลงไป ส่ งผลให้ พี คของระนาบผลึ กบางระนาบนั ้ นมี พี คที ่ สู งขึ ้ นหรื อลดลงใน การวิ เคราะห์ ด้ วยเครื ่ อง XRD [17] ดั งเช่ นในงานวิ จั ยของ J. Xu และคณะ [26] [23] และของ H. Tiainen และคณะ [4] [4,5,19,23]…”