Rutilo e anatase

O dióxido de titânio (TiO₂) é um material multifuncional que tem sido amplamente estudado, principalmente devido às suas propriedades ópticas, eletrônicas e fotocatalíticas superiores. Ele possui quatro polimorfos que na ordem decrescente de abundância são o rutilo, a anatase, a brookite e a akaogiite. O rutilo cristaliza-se numa estrutura tetragonal P42/mnm, a anatase numa estrutura tetragonal I41, a brookite também numa estrutura tetragonal Pbca, enquanto que a akaogiite é encontrada numa estrutura monoclínica P21/c. Este último, na verdade, é um polimorfo de alta pressão, possivelmente obtido como resultado de impactos de meteoritos. 

Existem diversas maneiras de se realizar a caracterização física destes polimorfos, incluindo as tradicionais técnicas de difração de raios-X, espectroscopia infravermelho e espectroscopia Raman, entre outros. Em todas elas, as características dos polimorfos se apresentam bastante diferentes. Por exemplo, se considerarmos a expectroscopia Raman, os espectros da anatase e do rutilo se mostram bem diferentes. Na Figura 1 apresenta-se o espectro Raman da anatase, enquanto que na Figura 2 apresenta-se o espectro Raman do rutilo.

Figura 1: Espectro Raman da anatase [1].

Figura 2: Espectro Raman do rutilo [1].

No que diz respeito às características fotocatalíticas, alguns estudos recentes apontam que a mistura das fases anatase e rutilo seria mais eficiente do que as fases puras isoladas [2, 3]. Além dos aspectos relacionados ao tamanho e à forma, medições sistemáticas são importante para se calcular a razão entre as fases anatase e rutilo do TiO₂, a fim de avaliar a adequação global para aplicações específicas. Tipicamente, dados de difração de raios X e de espectroscopia Raman no visível são utilizados para calcular a razão relativa de fases de nanopartículas (NPs) de TiO₂ nas formas anatase e rutilo. Observe-se que em 1957, Spurr e Mayers propuseram uma fórmula matemática para calcular a razão em massa das fases anatase e rutilo com base nas razões de intensidade obtidas por DRX [4]. Apesar de esse estudo ser consideravelmente antigo, ele é consistente com a maioria dos trabalhos publicados. Como resultado, um grande número de pesquisadores tem utilizado essa fórmula padrão para calcular a razão entre as fases anatase e rutilo a partir de dados de DRX, em comparação com as técnicas de espectroscopia Raman.

É importante ressaltar que ambas as técnicas derivam seus resultados a partir da razão de intensidades de picos de difração característicos, tais como [Int(101)ₐ] e [Int(110)ᵣ] para a anatase e o rutilo, respectivamente, e de bandas vibracionais Raman internas, como (B₁g 399 cm⁻¹)ₐ e (E_g 447 cm⁻¹)ᵣ para a anatase e o rutilo, respectivamente. Sob condições de aquecimento isotérmico na síntese assistida de NPs de AR-TiO₂, os resultados obtidos tanto pela equação de Spurr-Mayers quanto pela análise espectral Raman no visível são praticamente idênticos. Em contraste, sob condições de superaquecimento (por exemplo, ondas de choque acústicas) ou na síntese assistida por implantação iônica de NPs de AR-TiO₂, os resultados provenientes da equação de Spurr-Mayers e da análise espectral Raman fornecem implicações distintas, o que levanta questionamentos sobre a confiabilidade desses resultados, tais como a capacidade dessa técnica em calcular com precisão as razões de fase anatase e rutilo sob condições de superaquecimento. Nesse contexto, sentiu-se que seria fundamental uma compreensão adequada para interpretar corretamente as transições de fase anatase→rutilo e rutilo→anatase, bem como para aprimorar o papel das razões de fases mistas nas propriedades físicas e químicas das NPs de TiO₂, o que pode melhorar a integridade científica do TiO₂ tanto no âmbito da ciência avançada quanto da ciência fundamental.

Recentemente, o autor deste blog, juntamente com colegas pesquisadores da China, Índia, Arábia Saudita e Coreia do Sul, estudaram a validade da equação de Spurr e Mayers para condições termodinâmicas não convencionais [5]. De fato, nossos resultados revelaram que essa fórmula é válida apenas sob condições convencionais de aquecimento (regime estacionário) na síntese assistida de nanopartículas (NPs) de AR-TiO₂. Ela se torna não confiável quando aplicada a NPs de AR-TiO₂ sintetizadas sob condições de superaquecimento (por exemplo, regime não estacionário envolvendo ondas de choque acústicas). Para sustentar essa afirmação, apresentamos resultados comparativos de DRX e espectroscopia Raman para NPs de AR-TiO₂ sintetizadas tanto sob aquecimento normal quanto sob condições de superaquecimento. A razão de intensidades de raios X (101)ₐ/(110)ᵣ permanece constante nas amostras submetidas ao superaquecimento; contudo, os resultados espectrais Raman demonstram mudanças significativas ocorrendo na razão de intensidades das fases anatase (B₁g-399 cm⁻¹) e rutilo (A₉-447 cm⁻¹) das NPs de TiO₂, o que comprova as alterações na proporção das fases anatase e rutilo do AR-TiO₂. Com base nesses resultados, fica comprovado que a equação de Spurr-Mayers apresenta limitações significativas na sua capacidade de fornecer a razão precisa entre as proporções de anatase e rutilo na síntese de NPs de AR-TiO₂ baseada em superaquecimento. Sua imprecisão é atribuída à dominância de processos dinâmicos de recristalização da microestrutura e a mudanças cristalográficas superficiais, que não foram consideradas na formulação original. Como consequência, nestas situações extremas de taxa de aquisição de energia, deve-se utilizar a espectroscopia Raman em preferência à análise das intensidade dos picos de difração de raios-X.

Referências:

[1] H.G.M. Edwards, J.M. Chalmers (ed.), Raman Spectroscopy in Archaeology and Art History, Cambridge: Royal Society of Chemistry (2005).

[2] S. Lei, W. Duan, Highly active mixed-phase TiO2 photocatalysts fabricated at low temperature and the correlation between phase composition and photocatalytica activity, J. Environ. Sci 20, 1263-1267 (2008).

[3] S, Jampouri, C.P. Ireland, B. Valizadeh, E. Oveisi, P. Schouwink, M. Mensi, K.C. Stylianou,  Mixed-phase MOF-derived titanium dioxide for photocatalytic hudrogen evolution: the impact of the templated morphology, ACS Appl. Energy Mater. 1, 6541-6548 (2018).

[4] R.A. Spurr, H. Myers, Quantitative analysis of anatase-rutile mixtures with an X-ray diffractometer, Anal. Chem. 29, 760-762 (1957).

[5] S. Aswathappa, L. Dai, S.J.D. Sathiayadhas, R.S. Kumar, A.I. Almansour, P.T.C. Freire, S. Athiruban, G. Kang, Quantitative analysis of anatase-rutile mixtures of TiO2 employing X-ray diffractometry and visible-Raman spectroscopy at normal heating and superheating conditions: Implications and limitations of Spurr-Mayers equation, Ceramics International 51, 61025-61034 (2025).