XPS Study on the determination of binding energies in high-purity TiO2 nanoparticles

Guadalupe Alan Castillo Rodriguez^1,*

1 Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León, 66455, México;alan.castillo@uanl.mx (GACR)

* Correspondencia: alan.castillo@uanl.mx; Tel.: +52 83294020 Ext. 5730 (G.A.C.R)

https://doi.org/10.59335/usfv4957

Summary

This study focuses on the precise determination of the binding energies of high-purity TiO2 nano-particles, using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). TiO2, an essential ceramic in high-tech sectors such as electronics, aerospace and photocatalysis, was analyzed in its pure state (99.5%) directly as received from the supplier, without previous alterations. XPS spectra revealed typical bond energy peaks for Ti at 458.42 eV and 464.13 eV, corresponding to Ti2p3/2 and Ti2p1/2 levels respectively, with a difference of 5.71 eV, validating the expected electron structure for Ti in TiO2. Additionally, peaks were identified at 457.36 eV and 463.36 eV, attributable to Ti³⁺, present in a Ti3O5 phase, as confirmed by X-ray diffraction (XRD) analysis. The midheight width (FWHM) of the main Ti⁴⁺ peaks, ranging from 1.08 to 1.87 eV, and 0.96 eV for the Ti³⁺ peaks, highlights the homogeneity and exceptional purity of the sample. These findings not only corroborate the high quality of TiO2, but also provide a crucial benchmark for the scientific community, facilitating detailed comparisons with other samples and encouraging the development of innovative processes and materials. This study underscores the value of the XPS technique in the characterization of advanced ceramic materials and sets a standard for future research.

Resumen

Este estudio se enfoca en la determinación precisa de las energías de enlace de nanopartículas de TiO2 de alta pureza, utilizando la espectroscopía de fotoelectrones de rayos X (XPS, por sus siglas en inglés). El TiO2, un cerámico esencial en sectores de alta tecnología como electrónica, aeroespacial y fotocatálisis, se analizó en su estado puro (99.5%) directamente como se recibió del proveedor, sin alteraciones previas. Los espectros de XPS revelaron picos de energía de enlace típicos para Ti en 458.42 eV y 464.13 eV, correspondientes a los niveles Ti2p3/2 y Ti2p1/2 respectivamente, con una diferencia de 5.71 eV, validando la estructura electrónica esperada para Ti en TiO2. Adicionalmente, se identificaron picos a 457.36 eV y 463.36 eV, atribuibles a Ti³⁺, presente en una fase de Ti3O5, como se confirmó con análisis de difracción de rayos X (DRX). La anchura a media altura (FWHM) de los picos principales de Ti⁴⁺, variando entre 1.08 y 1.87 eV, y de 0.96 eV para los picos de Ti³⁺, resalta la homogeneidad y excepcional pureza de la muestra. Estos hallazgos no solo corroboran la alta calidad del TiO2, sino que también ofrecen un referente crucial para la comunidad científica, facilitando comparaciones detalladas con otras muestras y fomentando el desarrollo de procesos y ma-teriales innovadores. Este estudio subraya el valor de la técnica de XPS en la caracterización de materiales cerámicos avanzados y establece un estándar para investigaciones futuras.

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