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.
Magnéli 상 티타늄 아산화물의 탁월한 특성은 독특한 결정 구조에서 비롯됩니다. 이는 TiO₂ 팔면체 네트워크로 시각화할 수 있지만, 주요 차이점은 주기적인 산소 결핍입니다. 예를 들어, Ti₄O₇에서는 TiO₂ 층 몇 개마다 산소 결손층이 형성됩니다. 이는 결정학적 전단면을 형성합니다. 이러한 산소 결핍층 내에서 티타늄 원자는 서로 더 가까이 위치하여 전도성 사슬 또는 띠를 형성합니다. 중요한 것은 이러한 전도성 경로가 양쪽의 안정적인 TiO₂ 층에 의해 차폐되어 Ti₄O₇와 같은 재료에 높은 전기 전도성과 강력한 내식성을 부여한다는 것입니다.
관련 매개변수
| 제품명 | 티타늄 서브옥사이드 |
| 화학식 | TiₙO₂ₙ₋₁ |
| 화학적 형태 | 마그넬리상 티타늄 서브옥사이드 |
| 모습 | 청흑색 화약 |
| 톤 L 값 | < 16 |
| Ti₄O₇ 함량 | ≥ 95 % |
| 1차 입자 크기 | 0.5 ~ 1㎛ |
| 입자 크기 및 해당 저항률 | < 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 | |
| 내열성(공기 중) | < 600 °C |
| 상대 밀도 | 3.6 ~ 4.3 |
| 수용성 물질 | < 0.5g/ml |
주요 매개변수 및 응용 분야
1. 전극 재료
티타늄 아산화물은 탁월한 화학적 안정성과 내식성을 제공하여 모금속인 티타늄을 포함한 대부분의 일반적인 산업용 전극 소재보다 성능이 뛰어납니다. 티타늄 금속이 빠르게 부식되는 불소 함유 용액이나 염산과 같이 매우 공격적인 매질에서도 안정적입니다. 예를 들어, 티타늄 금속을 심하게 부식시키는 40% 황산이나 옥살산에서는 거의 불활성입니다.
| 견본 | 전해질 | 체중 감량 (150시간) | 체중 감량 (3500시간) |
| 티타늄 금속 | 1000ppm F⁻ | 22% | 100% |
| 티타늄 서브옥사이드 | 1000ppm F⁻ | 0.017% | 0.29% |
| 티타늄 금속 | 4000ppm F⁻ | 52% | 100% |
| 티타늄 서브옥사이드 | 4000ppm F⁻ | 0.66% | 2.4% |
| 티타늄 금속 | HF/HNO₃/H₂O 2/10/88 | 100% | 100% |
| 티타늄 서브옥사이드 | HF/HNO₃/H₂O 2/10/88 | 0.56% | 12.7% |
2. 전기화학적 폐수 처리
높은 산소 발생 과전압으로 인해 티타늄 아산화물 전극은 양극 산화 공정에 이상적입니다. 이를 통해 매립지 침출수, 페놀 함유 폐수, 섬유 염색 폐수, 유전 폐수, 병원 하수 등의 분야에서 유기 오염물질의 효율적인 전기 촉매 분해가 가능합니다. 또한 해수 전해 수소 생산, 해수 담수화, 수질 소독, 오존 생성에도 사용됩니다.
3. 고급 납산 배터리
2012년, 아트라베르다(Atraverda Ltd.)는 티타늄 아산화물을 활용한 양극성 납축전지를 상용화했습니다. 이 배터리는 기존 납축전지보다 무게가 40%(약 1.5kg), 무게가 20%(약 2.5kg) 더 가볍고, 에너지 밀도가 40%(약 1.5kg) 더 높으며, 사이클 수명도 100%(약 1.5kg) 이상 더 깁니다. 또한, 제조 과정에서 납 사용량이 50%(약 1.5kg) 더 적고 이산화탄소 배출량도 80%(약 1.5kg) 더 적어 환경 친화적입니다. 게다가, 리튬 이온 배터리와 같은 대체 배터리보다 완전히 재활용 가능하고 비용 효율성도 뛰어납니다.
4. 신에너지 배터리
납산: 아산화티타늄(Ti₄O₇)은 PbO₂와의 결합력을 강화하고 충방전 사이클 동안 기공 구조와 기공률을 유지하는 데 도움을 줍니다. 이는 양극 활물질의 형성 효율과 활용도를 향상시킵니다. 자동차 평판 배터리에 소량의 Ti₄O₇ 섬유를 첨가하면 용량이 15-17% 증가하는 것으로 나타났습니다.
리튬 이온: 리튬 이온 배터리 양극의 전도성 첨가제인 티타늄 아산화물은 기존 카본 블랙을 대체할 수 있습니다. 양극 전도성을 향상시키고, 균일한 전류 분포를 보장하며, 방전 전압 플랫폼을 높이고, 활물질 활용도를 높입니다. 예비 시험 결과 방전 전압이 5% 증가하고, 그에 따라 방전 에너지도 증가하는 것으로 나타났습니다.
5. 음극 보호 및 부식 방지 코팅
티타늄 서브옥사이드는 높은 전도성(일부 측면에서 그래핀을 능가), 산/알칼리에 대한 저항성, 자외선 흡수력, 높은 열 안정성, 그리고 물과 수지에 대한 우수한 분산성을 제공합니다. "전도성 + 불활성"의 조합은 해양 엔지니어링 및 화학 장비와 같은 혹독한 환경에서 장기적인 보호에 이상적입니다. 티타늄 서브옥사이드 입자를 부식 방지 코팅(예: 에폭시, 폴리우레탄)에 첨가하면 균일한 전하 분포를 촉진하여 국부적인 갈바닉 부식을 방지합니다. 연구에 따르면 티타늄 서브옥사이드로 개질된 코팅은 기존의 불활성 필러를 사용한 코팅보다 음극 보호가 더 빠르게 이루어지고 더 오래 유지됩니다.
6. 고급 안료
Magnéli 상 티타늄 아산화물은 높은 전도성을 지녀 코팅 및 잉크용 정전기 방지 및 전도성 안료로 사용할 수 있습니다. 카본 블랙을 대체하여 우수한 내후성을 가진 짙은 검은색 전도성 코팅을 구현할 수 있습니다. 또한, 결정 구조가 가시광선을 강하게 흡수하여 짙은 회색에서 검은색에 이르는 색상을 구현합니다. 카본 블랙보다 내열성이 뛰어나 세라믹 및 고온 코팅에 적합하며, 무독성이어서 유해한 코발트 또는 크롬 기반 검은색 안료를 대체할 수 있는 잠재력을 제공합니다. TiO₂를 함유한 복합 안료는 광촉매 활성을 제어하여 자외선으로 인한 열화를 줄이고 코팅 내구성 및 방오성을 향상시키도록 설계할 수도 있습니다. 입자 형태와 크기를 제어함으로써 자동차 및 장식용 코팅에 금속 광택과 같은 특수 효과를 구현할 수 있습니다.
고급 처리를 통한 성능 최적화
티타늄 서브옥사이드의 탁월한 기능적 특성은 순도, 입자 크기 분포, 형태 등 분말 특성에 크게 좌우됩니다. 최고의 성능을 달성하려면 가공 중 오염을 방지해야 합니다. 제트 밀링(에어 제트 밀링 또는 유체 에너지 밀링이라고도 함)은 티타늄 서브옥사이드를 분쇄하는 데 선호되는 기술입니다. 이 방법은 압축 공기 또는 가스의 고속 분사를 활용하여 기계적 이동 부품이 재료에 접촉하지 않고 초미세 공기 분쇄 및 분류를 수행합니다. 기류 분쇄 공정은 다음과 같은 이점을 제공합니다.
절대 순도: 분쇄 매체로 인한 금속 오염 없음.
열 보호: 저온 제트 분쇄로 상 변화나 산화를 방지합니다.
뛰어난 분말 품질: 전극 제작, 코팅 및 복합 재료에 이상적인 좁은 크기 분포의 구형 입자를 생산합니다.
독특한 마그넬리상 구조와 높은 전도성을 지닌 아산화티타늄(Ti₄O₇)은 배터리, 환경 보호 및 부식 방지에 탁월한 성능을 발휘합니다. 더 가볍고 효율적인 양극성 납축전지의 핵심 소재, 고질적인 폐수 오염물질 분해를 위한 강력한 전기 촉매, 그리고 장기적인 부식 방지 시스템을 위한 내구성과 전도성을 갖춘 부품으로 활용됩니다.
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