Позитроны определяют строение диоксида титана

Применив новый тип спектроскопии, исследователи из Японии надеются, что им удалось поставить точку в продолжающемся 30 лет споре о строении наиболее распространённой формы диоксида титана [1].

Диоксид титана, TiO2, является одним из наиболее часто применяемых фотокатализаторов, и, поскольку химические свойства определяются строением, более исчерпывающие знания о структуре диоксида титана могут принести ощутимую пользу химикам и материаловедам. Известно, что рутил TiO2 трансформируется при обжиге [2], однако даже после многих теоретических и экспериментальных исследований точная конфигурация этой формы пока ещё не была выяснена.

Тосио Хиодо (Toshio Hyodo) объясняет неудачи с определением строения оксида титана тем обстоятельством, что хотя сканирующая туннельная микроскопия и атомно-силовая микроскопия и представляют собой надёжные инструменты для определения строения поверхности объектов с атомным разрешением, им сложно заглянуть вовнутрь вещества. Традиционные дифракционные методы ошибаются – дифракция электронов дает большой фоновый сигнал, осложняющий расшифровку дифрактограммы, рентгеновские лучи проникают вглубь образца, но при этом не могут дать информацию о строении поверхностного слоя.

Исследователи применили недавно разработанный метод позитронного анализа для того, чтобы изучить и поверхностное, и внутреннее строение диоксида титана. (Рисунок из Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18, 7085)

Позитроны, тем не менее, могут рассеиваться положительно заряженными ядрами объемного материала, а изменение угла падения позитронного луча позволяет селективно изучить и поверхность, и частицы, находящиеся непосредственно под поверхностью. По этой причине Хиодо и его коллега Изуми Мочизуки (Izumi Mochizuki) использовали недавно разработанную методику – полное отражение высокоэнергетической позитронной дифракции [total reflection high-energy positron diffraction (TREHPD)] – для того, чтобы связать морфологию поверхности с объемной структурой диоксида титана.

Исследователи сверили экспериментально полученные данные со многими ранее построенными теоретическими моделями и сделали вывод о том, что в наибольшей степени полученные результаты соответствуют строению, предложенному в 2014 году [3] – асимметричной структуре Ti2O3, в которой два атома титана расположены в вертикальных внутрипоровых полостях между атомами кислорода. Хиодо полагает, что сходимость теоретических и экспериментальных результатов позволяет поставить точку в вопросе о строении диоксида титана.

Артём Оганов (Artem Oganov), один из исследователей, предложивших асимметрическое строение Ti2O3, соглашается с тем, что новая методика позволяет отличать один тип структуры от другого, и новые экспериментальные данные, к его удовольствию, подтверждают ранее высказанные теоретические предположения. Это обстоятельство придает исследователям уверенность в том, что мы приблизились к пониманию механизма каталитических процессов, протекающих на поверхности рутила.

Источники: [1] Phys. Chem. Chem. Phys., 2016, 18, 7085 (DOI: 10.1039/c5cp07892j); [2] Surf. Sci., 1989, 224, 265 (DOI: 10.1016/0039-6028(89)90915-1); [3] Phys. Rev. Lett., 2014, 113, 266101 (DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.266101)

По  материалам сайта chemport.ru