Titanium suboxide, often referred to as titanium black, is an inorganic functional material characterized by its blue-black, free-flowing powder form. It is non-toxic, exhibits excellent thermal stability, high hydrogen and oxygen evolution overpotential. Its outstanding properties including corrosion resistance, wear resistance, superior electrical conductivity, and remarkable chemical stability. These attributes make it highly valuable across industries such as electrocatalytic oxidation for wastewater treatment, marine anti-corrosion, and as a conductive additive. Jet milling, also known as air jet milling or fluid energy milling, is the preferred technique for pulverizing titanium suboxide.
Les propriétés exceptionnelles des sous-oxydes de titane en phase Magnéli découlent de leur structure cristalline unique. Celle-ci peut être visualisée comme un réseau d'octaèdres de TiO₂, mais avec une différence essentielle : des déficits périodiques en oxygène. Par exemple, dans Ti₄O₇, après quelques couches de TiO₂, une couche présentant des lacunes en oxygène se forme. Cela crée un plan de cisaillement cristallographique. Au sein de ces couches pauvres en oxygène, les atomes de titane sont plus proches les uns des autres, formant des chaînes ou des bandes conductrices. Point crucial, ces voies conductrices sont protégées par les couches stables de TiO₂ de chaque côté, ce qui confère à des matériaux comme Ti₄O₇ leur exceptionnelle combinaison de conductivité électrique élevée et de forte résistance à la corrosion.
Paramètres associés
| Nom du produit | Sous-oxyde de titane |
| Formule chimique | TiₙO₂ₙ₋₁ |
| Forme chimique | Sous-oxyde de titane en phase Magnéli |
| Apparence | Poudre bleu-noir |
| Valeur L du ton | < 16 |
| Teneur en Ti₄O₇ | ≥ 95 % |
| Taille des particules primaires | 0,5 ~ 1 μm |
| Taille des particules et résistivité correspondante | < 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 | |
| Résistance à la chaleur (dans l'air) | < 600 °C |
| Densité relative | 3.6 ~ 4.3 |
| Solubles dans l'eau | < 0,5 g/ml |
Paramètres clés et domaines d'application
1. Matériau de l'électrode
Le sous-oxyde de titane offre une stabilité chimique et une résistance à la corrosion exceptionnelles, surpassant la plupart des matériaux d'électrodes industriels courants, y compris son métal de base, le titane. Il reste stable dans les milieux très agressifs, tels que les solutions fluorées et l'acide chlorhydrique, où le titane métallique se corroderait rapidement. Par exemple, il est quasiment inerte dans l'acide sulfurique ou oxalique 40%, qui attaquent fortement le titane métallique.
| Échantillon | Électrolyte | Perte de poids (150 heures) | Perte de poids (3500 heures) |
| Titane Métal | 1000 ppm F⁻ | 22% | 100% |
| Sous-oxyde de titane | 1000 ppm F⁻ | 0.017% | 0.29% |
| Titane Métal | 4000 ppm F⁻ | 52% | 100% |
| Sous-oxyde de titane | 4000 ppm F⁻ | 0.66% | 2.4% |
| Titane Métal | HF/HNO₃/H₂O 2/10/88 | 100% | 100% |
| Sous-oxyde de titane | HF/HNO₃/H₂O 2/10/88 | 0.56% | 12.7% |
2. Traitement électrochimique des eaux usées
Grâce à leur surtension élevée de dégagement d'oxygène, les électrodes en sous-oxyde de titane sont idéales pour les procédés d'oxydation anodique. Elles permettent une dégradation électrocatalytique efficace des polluants organiques dans des applications telles que les lixiviats de décharges, les eaux usées contenant du phénol, les effluents de teinture textile, les eaux usées des champs pétrolifères et les eaux usées hospitalières. Elles sont également utilisées pour la production électrolytique d'hydrogène à partir d'eau de mer, le dessalement de l'eau de mer, la désinfection de l'eau et la production d'ozone.
3. Batteries plomb-acide avancées
En 2012, Atraverda Ltd. a commercialisé une batterie plomb-acide bipolaire utilisant du sous-oxyde de titane. Ces batteries sont plus légères (40%), plus petites (20%) et offrent une densité énergétique supérieure (40%) avec une durée de vie supérieure de plus de 100% à celle des batteries plomb-acide traditionnelles. Elles sont également plus respectueuses de l'environnement, utilisant moins de plomb (50%) et générant moins de CO₂ (80%) lors de leur fabrication. De plus, elles sont entièrement recyclables et plus économiques que des alternatives comme les batteries lithium-ion.
4. Nouvelles batteries énergétiques
Plomb-acide : Le sous-oxyde de titane (Ti₄O₇) renforce la force de liaison avec le PbO₂ et contribue au maintien de la structure des pores et de la porosité pendant les cycles de charge-décharge. Cela améliore l'efficacité de la formation et l'utilisation du matériau actif positif. L'ajout d'une petite quantité de fibre de Ti₄O₇ aux batteries automobiles à plaques plates a montré une augmentation de la capacité de 15 à 171 TP3T.
Lithium-ion : En tant qu'additif conducteur dans les cathodes de batteries lithium-ion, le sous-oxyde de titane peut remplacer le noir de carbone traditionnel. Il améliore la conductivité de la cathode, assure une distribution uniforme du courant, élève la tension de décharge et optimise l'utilisation du matériau actif. Les tests préliminaires indiquent une augmentation de la tension de décharge et de l'énergie de décharge.
5. Protection cathodique et revêtements anticorrosion
Le sous-oxyde de titane offre une conductivité élevée (surpassant le graphène sur certaines mesures), une résistance aux acides et aux bases, une absorption des UV, une stabilité thermique élevée et une bonne dispersibilité dans l'eau et les résines. Sa combinaison « conductivité et inertie » le rend idéal pour une protection longue durée dans des environnements difficiles, tels que les équipements de génie maritime et chimiques. L'intégration de particules de sous-oxyde de titane dans les revêtements anticorrosion (par exemple, époxy, polyuréthane) favorise une répartition uniforme des charges, prévenant ainsi la corrosion galvanique localisée. Des études montrent que les revêtements modifiés au sous-oxyde de titane établissent la protection cathodique plus rapidement et la maintiennent plus longtemps que ceux contenant des charges inertes traditionnelles.
6. Pigments avancés
La conductivité élevée des sous-oxydes de titane en phase Magnéli permet leur utilisation dans les pigments antistatiques et conducteurs pour revêtements et encres. Ils peuvent remplacer le noir de carbone pour obtenir des revêtements conducteurs d'un noir profond et d'une excellente résistance aux intempéries. De plus, leur structure cristalline absorbe fortement la lumière visible, produisant une couleur allant du gris foncé au noir. Ils sont plus résistants à la chaleur que le noir de carbone (convient aux céramiques et aux revêtements haute température) et non toxiques, offrant ainsi un remplacement potentiel aux pigments noirs dangereux à base de cobalt ou de chrome. Les pigments composites à base de TiO₂ peuvent également être conçus pour contrôler l'activité photocatalytique, réduisant ainsi la dégradation par les UV et améliorant la durabilité et les propriétés antisalissures des revêtements. En contrôlant la morphologie et la taille des particules, des effets spéciaux comme un lustre métallique peuvent être obtenus pour les revêtements automobiles et décoratifs.
Optimisation des performances avec un traitement avancé
Les propriétés fonctionnelles exceptionnelles du sous-oxyde de titane dépendent fortement des caractéristiques de sa poudre, notamment sa pureté, sa granulométrie et sa morphologie. Pour atteindre les meilleures performances, il est essentiel d'éviter toute contamination lors du traitement. Le broyage par jet d'air, également appelé broyage par jet d'air ou broyage par fluide, est la technique privilégiée pour la pulvérisation du sous-oxyde de titane. Cette méthode utilise des jets d'air ou de gaz comprimé à grande vitesse pour obtenir un broyage et une classification ultra-fins sans contact avec les pièces mécaniques mobiles. Le broyage par flux d'air assure :
Pureté absolue : aucune contamination métallique provenant des supports de broyage.
Protection thermique : La pulvérisation par jet à basse température empêche les changements de phase ou l'oxydation.
Qualité de poudre supérieure : produit des particules sphériques avec une distribution de taille étroite, idéales pour la fabrication d'électrodes, de revêtements et de matériaux composites.
Le sous-oxyde de titane (Ti₄O₇), avec sa structure de phase Magnéli unique et sa conductivité élevée, présente d'excellentes performances dans les batteries, la protection de l'environnement et la prévention de la corrosion. Il sert de matériau de base pour des batteries plomb-acide bipolaires plus légères et plus performantes, d'électrocatalyseur puissant pour la dégradation des polluants tenaces des eaux usées et de composant conducteur et durable pour les systèmes anticorrosion longue durée.
Poudre épique
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