Titansuboxid, oft auch als Titanschwarz bezeichnet, ist ein anorganisches Funktionsmaterial, das sich durch seine blauschwarze, rieselfähige Pulverform auszeichnet. Es ist ungiftig, besitzt eine ausgezeichnete thermische Stabilität und ein hohes Überspannungspotenzial für die Wasserstoff- und Sauerstoffentwicklung. Zu seinen herausragenden Eigenschaften zählen Korrosionsbeständigkeit, Verschleißfestigkeit, hervorragende elektrische Leitfähigkeit und bemerkenswerte chemische Stabilität. Diese Eigenschaften machen es in verschiedenen Branchen, wie beispielsweise der elektrokatalytischen Oxidation zur Abwasserbehandlung, dem Korrosionsschutz in der Schifffahrt und als leitfähiges Additiv, äußerst wertvoll. Die Strahlmahlung, auch bekannt als Luftstrahlmahlung oder Fluidenergiemahlung, ist das bevorzugte Verfahren zur Pulverisierung von Titansuboxid.
Die außergewöhnlichen Eigenschaften der Magnéli-Phase-Titansuboxide beruhen auf ihrer einzigartigen Kristallstruktur. Man kann sie sich als Netzwerk aus TiO₂-Oktaedern vorstellen, allerdings mit einem entscheidenden Unterschied: periodischen Sauerstoffdefiziten. So bildet sich beispielsweise in Ti₄O₇ nach jeweils einigen TiO₂-Lagen eine Schicht mit Sauerstoffleerstellen. Dadurch entsteht eine kristallografische Scherebene. Innerhalb dieser sauerstoffarmen Schichten liegen die Titanatome dichter beieinander und bilden leitfähige Ketten oder Bänder. Entscheidend ist, dass diese leitfähigen Bahnen durch die stabilen TiO₂-Schichten auf beiden Seiten abgeschirmt werden, was Materialien wie Ti₄O₇ ihre außergewöhnliche Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit und starker Korrosionsbeständigkeit verleiht.
Zugehörige Parameter
| Produktname | Titansuboxid |
| Chemische Formel | TiₙO₂ₙ₋₁ |
| Chemische Form | Magnéli-Phase-Titansuboxid |
| Aussehen | Blauschwarzes Pulver |
| Ton L-Wert | < 16 |
| Ti₄O₇-Gehalt | ≥ 95 % |
| Primäre Partikelgröße | 0,5 ~ 1 μm |
| Partikelgröße und entsprechender spezifischer Widerstand | < 1 μm: > 30 mΩ·m |
| 1 ~ 10 μm：30 ~ 80 mΩ·m | |
| 10 ~ 30 μm：3 ~ 5 mΩ·m | |
| 30 ~ 50 μm: < 3 mΩ·m | |
| 50 ~ 80 μm: < 3 mΩ·m | |
| Hitzebeständigkeit (in Luft) | < 600 °C |
| Relative Dichte | 3.6 ~ 4.3 |
| Wasserlösliche | < 0,5 g/ml |
Wichtige Parameter und Anwendungsfelder
1. Elektrodenmaterial
Titansuboxid bietet außergewöhnliche chemische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit und übertrifft die meisten gängigen Industrieelektrodenmaterialien, einschließlich seines Grundmetalls Titan. Es bleibt in hochaggressiven Medien wie fluoridhaltigen Lösungen und Salzsäure stabil, in denen Titanmetall schnell korrodieren würde. Beispielsweise ist es in 40%-Schwefel- oder Oxalsäure, die Titanmetall stark angreifen, nahezu inert.
| Probe | Elektrolyt | Gewichtsverlust (150 Std.) | Gewichtsverlust (3500 Std.) |
| Titanmetall | 1000 ppm F⁻ | 22% | 100% |
| Titansuboxid | 1000 ppm F⁻ | 0.017% | 0.29% |
| Titanmetall | 4000 ppm F⁻ | 52% | 100% |
| Titansuboxid | 4000 ppm F⁻ | 0.66% | 2.4% |
| Titanmetall | HF/HNO₃/H₂O 2/10/88 | 100% | 100% |
| Titansuboxid | HF/HNO₃/H₂O 2/10/88 | 0.56% | 12.7% |
2. Elektrochemische Abwasserbehandlung
Aufgrund ihrer hohen Sauerstoffentwicklungsüberspannung eignen sich Titansuboxidelektroden ideal für anodische Oxidationsprozesse. Dies ermöglicht einen effizienten elektrokatalytischen Abbau organischer Schadstoffe in Anwendungen wie Deponiesickerwasser, phenolhaltigem Abwasser, Textilfärbeabwässern, Ölfeldabwässern und Krankenhausabwässern. Titansuboxid wird auch bei der elektrolytischen Wasserstoffproduktion aus Meerwasser, der Meerwasserentsalzung, der Wasserdesinfektion und der Ozonerzeugung eingesetzt.
3. Fortschrittliche Blei-Säure-Batterien
Im Jahr 2012 brachte Atraverda Ltd. eine bipolare Blei-Säure-Batterie auf Basis von Titansuboxid auf den Markt. Diese Batterien sind Berichten zufolge 40 % leichter, 20 % kleiner und bieten eine 40 % höhere Energiedichte bei über 100 % längerer Lebensdauer als herkömmliche Blei-Säure-Batterien. Sie sind zudem umweltfreundlicher, da sie 5 % weniger Blei verbrauchen und bei der Herstellung 8 % weniger CO₂ erzeugen. Darüber hinaus sind sie vollständig recycelbar und kostengünstiger als Alternativen wie Lithium-Ionen-Batterien.
4. Neue Energiebatterien
Blei-Säure: Titansuboxid (Ti₄O₇) erhöht die Bindungskraft mit PbO₂ und trägt dazu bei, die Porenstruktur und Porosität während Lade- und Entladezyklen zu erhalten. Dies verbessert die Bildung und Nutzung des positiven Aktivmaterials. Die Zugabe einer kleinen Menge Ti₄O₇-Faser zu Auto-Flachplattenbatterien erhöht die Kapazität nachweislich um 15–171 TP3T.
Lithium-Ionen: Als leitfähiger Zusatz in Lithium-Ionen-Batteriekathoden kann Titansuboxid herkömmlichen Ruß ersetzen. Es verbessert die Kathodenleitfähigkeit, sorgt für eine gleichmäßige Stromverteilung, erhöht die Entladespannung und steigert die Nutzung des aktiven Materials. Erste Tests deuten auf eine Erhöhung der Entladespannung um 5% und eine entsprechende Steigerung der Entladeenergie hin.
5. Kathodischer Schutz und Korrosionsschutzbeschichtungen
Titansuboxid bietet eine hohe Leitfähigkeit (übertrifft in einigen Parametern Graphen), ist säure- und alkalibeständig, absorbiert UV-Strahlung, ist hoch thermisch stabil und gut in Wasser und Harzen dispergierbar. Die Kombination aus Leitfähigkeit und Inertheit macht es ideal für den Langzeitschutz in rauen Umgebungen, wie z. B. im Schiffsbau und in der chemischen Industrie. Die Einarbeitung von Titansuboxidpartikeln in Korrosionsschutzbeschichtungen (z. B. Epoxid, Polyurethan) fördert eine gleichmäßige Ladungsverteilung und verhindert so lokale galvanische Korrosion. Studien zeigen, dass mit Titansuboxid modifizierte Beschichtungen schneller einen kathodischen Schutz aufbauen und diesen länger aufrechterhalten als Beschichtungen mit herkömmlichen inerten Füllstoffen.
6. Fortschrittliche Pigmente
Die hohe Leitfähigkeit von Titansuboxiden der Magnéli-Phase ermöglicht ihren Einsatz in antistatischen und leitfähigen Pigmenten für Beschichtungen und Tinten. Sie können Ruß ersetzen, um tiefschwarze, leitfähige Beschichtungen mit hervorragender Witterungsbeständigkeit zu erzielen. Darüber hinaus absorbiert ihre Kristallstruktur stark sichtbares Licht, was zu einer tiefgrauen bis schwarzen Farbe führt. Sie sind hitzebeständiger als Ruß (geeignet für Keramik und Hochtemperaturbeschichtungen) und ungiftig, sodass sie einen potenziellen Ersatz für gefährliche schwarze Pigmente auf Kobalt- oder Chrombasis darstellen. Kompositpigmente mit TiO₂ können auch so konstruiert werden, dass sie die photokatalytische Aktivität steuern, den UV-Abbau verringern und die Haltbarkeit und Antifouling-Eigenschaften der Beschichtung verbessern. Durch die Kontrolle der Partikelmorphologie und -größe können Spezialeffekte wie metallischer Glanz für Automobil- und Dekorbeschichtungen erzielt werden.
Leistungsoptimierung mit erweiterter Verarbeitung
Die außergewöhnlichen funktionellen Eigenschaften von Titansuboxid hängen stark von seinen Pulvereigenschaften ab, einschließlich Reinheit, Partikelgrößenverteilung und Morphologie. Um höchste Leistung zu erzielen, müssen Verunreinigungen während der Verarbeitung vermieden werden. Das Strahlmahlen, auch bekannt als Luftstrahlmahlen oder Fluidenergiemahlen, ist die bevorzugte Technik zur Pulverisierung von Titansuboxid. Bei diesem Verfahren werden Hochgeschwindigkeitsstrahlen aus Druckluft oder Gas genutzt, um eine ultrafeine Luftzerkleinerung und -klassifizierung zu erreichen, ohne dass mechanische bewegliche Teile mit dem Material in Berührung kommen. Das Luftstrommahlverfahren gewährleistet:
Absolute Reinheit: Keine Metallverunreinigung durch Mahlkörper.
Wärmeschutz: Die Niedertemperatur-Strahlpulverisierung verhindert Phasenänderungen oder Oxidation.
Überlegene Pulverqualität: Erzeugt kugelförmige Partikel mit einer engen Größenverteilung, ideal für die Elektrodenherstellung, Beschichtungen und Verbundwerkstoffe.
Titansuboxid (Ti₄O₇) mit seiner einzigartigen Magnéli-Phasenstruktur und hohen Leitfähigkeit zeigt hervorragende Leistung in Batterien, im Umweltschutz und im Korrosionsschutz. Es dient als Kernmaterial für leichtere, effizientere bipolare Blei-Säure-Batterien, als leistungsstarker Elektrokatalysator zum Abbau hartnäckiger Abwasserschadstoffe und als langlebige, leitfähige Komponente für langlebige Korrosionsschutzsysteme.
Episches Pulver
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