Distinguer les différentes modifications cristallines du dioxyde de titane par spectroscopie Raman

Problématique / Besoin :

1. Introduction

Différencier les structures cristallines par spectroscopie Raman

Les matériaux cristallins tels que les minéraux se présentent sous différentes formes cristallines - un phénomène également connu sous le nom de polymorphisme. Cela signifie que leurs compositions moléculaires sont identiques mais que la composition structurelle du cristal, c'est-à-dire la manière dont les molécules sont disposées dans le cristal, est différente. La spectroscopie Raman est idéale pour distinguer ces différentes formes cristallines car elle est sensible aux vibrations moléculaires présentes dans l'échantillon qui dépendent fortement de la structure cristalline spécifique. De plus, le Cora 5001 d'Anton Paar permet de quantifier ces modifications au sein d'un mélange de polymorphes. 

Dioxyde de titane

Le dioxyde de titane est largement utilisé comme pigment blanc, par exemple dans les produits de santé tels que les dentifrices, dans l'industrie pharmaceutique comme matériau d'enrobage pour comprimés ou dans l'industrie de la peinture dans les peintures murales. En tant que pigment, il offre une luminosité et une opacité extrêmement élevées. Parce qu'il montre également une résistance aux UV, il est en outre utilisé pour améliorer la stabilité aux UV dans les plastiques et autres matériaux ou dans l'industrie cosmétique dans les crèmes solaires. La production globale de dioxyde de titane représente 70% de la production mondiale de pigments. Le dioxyde de titane a plusieurs modifications cristallines qui diffèrent par leurs propriétés physiques, par exemple en dureté, indice de réfraction ou densité. Les deux formes les plus courantes sont le rutile et l'anatase. Le rutile est un minéral dur et présente une brillance élevée tandis que l'anatase est plus douce mais présente une activité catalytique. Par conséquent, les deux formes sont produites pour différentes applications et il est crucial pour le fabricant de savoir quelle modification cristalline a été produite. De même, un client de l'industrie de transformation en aval pourrait être intéressé à confirmer que le bon formulaire a été livré. 

2. Expérience

Le spectromètre Raman Cora 5001 d'Anton Paar a été utilisé pour les mesures des polymorphes de dioxyde de titane et de leurs mélanges qui peuvent être mesurés à 532 nm, 785 nm ainsi qu'à 1064 nm. Cependant, pour l'anatase, 785 nm ou 1064 nm sont recommandés car son signal principal est en dehors de la plage spectrale de l'instrument utilisant 532 nm. 

Les mélanges (5%, 10% et 20% d'anatase) ont été broyés avant de les remplir dans des flacons pour homogénéisation. Des poudres pures d'anatase et de rutile ont été versées dans un flacon en verre standard sans autre préparation d'échantillon. Après une optimisatiion de la mise au point, chaque échantillon a été mesuré trois fois dans un accessoire de support de flacon avec une puissance laser maximale et une option d'exposition automatique activée. Un fond et une correction de base ont été utilisés. 

3. Identification de l'anatase et du rutile

On peut voir les spectres Raman du dioxyde de titane sous ses formes rutile et anatase. Le rutile montre trois pics principaux à 233 cm-1, 446 cm-1 et 611 cm-1 tandis que l'anatase montre quatre pics principaux à 143 cm-1, 396 cm-1, 514 cm-1 et 638 cm-1. Les pics ne diffèrent pas seulement par leur position, mais aussi par leurs intensités relatives. Il est donc évident que les deux poudres blanches peuvent être facilement distinguées en employant la spectroscopie Raman. 

4. Quantification des mélanges polymorphes

Le contenu de chaque polymorphe dans un mélange d'anatase et de rutile peut être calculé par le modèle personnalisé "Simple Quantification Tool" du Cora 5001 directement sur l'appareil lui-même à l'aide des paramètres.

5. Conclusion

Deux formes cristallines de dioxyde de titane ont été caractérisées à l'aide d'un spectromètre Raman Cora d'Anton Paar. Il peut facilement et rapidement distinguerles deux modifications par leurs spectres Raman uniques. De plus, la quantification de mélanges polymorphes est possible à l'aide d'un modèle personnalisé Cora 5001. Déterminer avec précision le type et la quantité de polymorphes est d'une importance critique pour la surveillance de la qualité et des processus dans les industries chimique, pharmaceutique, alimentaire et des semi-conducteurs.