بخشی از مقاله
چکیده
نانولولههای دیاکسید تیتانیم - TiO2 - به علت داشتن خواص فیزیکی و شیمیایی بسیار خوب، از مهمترین مواد نانومتری هستند که موردتوجه محققان قرارگرفتهاند. از خواص مطلوب این مواد میتوان به سطح ویژه بالا، مجرای الکتریکی یکبعدی، توانایی تعویض یونی زیاد، پتانسیل خوب فوتوکاتالیستی و خواص فوق آبدوستی اشاره کرد. مورفولوژی نانولولهها به شدت روی کاربرد آنها تأثیرگذار است که در فرآیند آندایزینگ، پارامترهای مختلفی ازجمله pH، دما، زمان، ترکیب محلول الکترولیت و ولتاژ بر روی مورفولوژی نانولولههای تیتانیا اثر میگذارند .هدف از انجام این پژوهش بررسی تأثیر زمان بر روی مورفولوژی نانولولههای تشکیلشده هست. در این پژوهش، نانولولههای تیتانیا تحت شرایط مناسب آندایزینگ، سنتز و سپس تحت عملیات حرارتی قرار گرفتند. به همین منظور از محلول اتیلن گلیکول حاوی آب و آمونیوم فلوئورید جهت انجام فرآیند آندایزینگ استفاده شد. جهت بررسی اثر زمان آندایزینگ، فرآیند آندایز تحت زمانهای 20 دقیقه، 1 و 3 و 8 ساعت انجام شد. ساختار فازی و مورفولوژی نانولولهها بهوسیله آنالیز پراش اشعه ایکس - XRD - و میکروسکوپ الکترونی روبشی - FESEM - مورد بررسی قرار گرفت. نتایج پراش پرتوی ایکس بیانگر وجود ساختار فاز آناتاز در نانولولههای تولیدی، پس از انجام عملیات کلسیناسیون هست. همچنین مشاهدات حاصل از تصاویر میکروسکوپ الکترونی نشان دادند که با افزایش زمان طول نانولولهها زیاد میشود؛ اما برای یک الکترولیت با غلظت مشخص بعد از یکزمان خاص با افزایش زمان آندایز، سر لولهها شروع به حل شدن در الکترولیت میکند و باعث کاهش طول نانولولهها میشود بنابراین برای افزایش طول با زمان آندایزینگ، یک زمان بهینه وجود دارد.
واژههای کلیدی: نانولولههای دیاکسید تیتانیم، آندایزینگ، الکترولیت، فاز آناتاز
مقدمه
امروزه سنتز نانولولههای تیتانیا - TiO2 - به خاطر مزیتهای خاص، توجه بسیاری از محققان را به خود جلب کرده است. این نانولولهها به علت سطح ویژه بزرگ و خاصیت انتقالی بار یونی و الکترونی عالی دارای فواید مفیدی هستند که کاربردهای مختلفی را سبب میشوند.[1] از کاربردهای نانولولههای تیتانیا میتوان به کاربرد آنها در سلولهای خورشیدی[2]، فوتوکاتالیستها[3]، تجزیه آب و رفع آلودگی، فیلترهای UV، حسگرهای گازی[4] و در پزشکی مانند ایمپلنتها و سیستمهای دارورسانی اشاره کرد.[5] مزیت نانولولههای تیتانیا نسبت به مواد اکسیدی دیگر، غیر سمی، ارزانتر بودن و استحکام بالا است. روشهای مختلفی برای سنتز این نانولولهها وجود دارد، مانند سل-ژل[6]، هیدروترمال[7]، الگو و آندایزالکتروشیمیایی، از بین روشهای مختلف، روش آندایز الکتروشیمیایی به علت آسانتر و ارزانتر بودن و همچنین از همه مهمتر به دلیل قابلیت کنترل پارامترهای آندایز برای دست یافتن به نانولولههای با شکل دلخواه مورداستفاده قرارگرفته است. اولین گزارشها در مورد شکلگیری نانولولههای تیتانیای خود نظامیافته توسط آندایز به سال 1984 برمیگردد که پسازآن تلاشهای زیادی برای بهبود نانولولههای تیتانیا سنتز شده به این روش صورت گرفته است.[8] پارامترهای آندایز - غلظت، PH الکترولیت، ولتاژ، زمان و دمای آندایز - روی مورفولوژی نانولولههای تیتانیا اثر بسزایی دارند، به سبب اثر مورفولوژی نانولولهها بر بازده آنها در کاربردهای، کنترل مورفولوژی نانولولههای تیتانیا مسئلهای بسیار مهم و ضروری است، که با تغییر پارامترهای آندایز میتوان به نانولولههای مناسب دست پیدا کرد. برای افزایش بازده درکاربردهای مختلف این نانولولهها باید دارای مساحت سطح بالا، طول بلند و همچنین ناحیه طیف جذبی مناسب باشند. سنتز نانولولههای بلند دغدغه بسیاری از محققین در چند دهه اخیر بوده است و با توجه به مطالعات انجامشده نتایج نشان می دهد که با افزایش زمان میتوان به نانولولههای بلند دستیافت.[9] در این پژوهش، مشاهدهشده است برای یک الکترولیت با غلظت مشخص، افزایش زمان تا یک محدوده معینی سبب افزایش طول میشود و بعدازآن سبب کاهش و حتی نابودی کل نانولولهها میشود.
بخش تجربی
قبل از آندایز فویلهای Ti - باضخامت1میلیمتر و خلوص 99/7 درصد - بهطور مکانیکی با ورقههای پولیش 800، 1000، 2000، 2500و 3000 به ترتیب پولیش شدند. بعد از پولیش با استون، متانول و آب دایونایز به ترتیب به مدت 15 دقیقه التراسونیک شد. آندایز در حمام الکترولیت شامل دو الکترود Ti بهعنوان آند و Pt بهعنوان کاتد، با ولتاژ اعمالی 60 ولت به مدت 1 ساعت انجام شد. الکترولیت شامل اتیلن گلیکول - Sigma-Aldrich - ، نمک آمونیوم فلوراید و آب دایونایز است. سپس در دمای 400 درجه سانتیگراد تحت عملیات حرارتی قرار گرفت.
ساختار فازی و مورفولوژی نانولولهها بهوسیله آنالیز پراش اشعه ایکس - XRD - و میکروسکوپ الکترونی روبشی - FESEM - موردبررسی قرار گرفت.
بحث و نتیجهگیری
مکانیزم تشکیل لایه اکسیدی در فرایند اکسیداسیون آندی هنوزکاملاً واضح نیست. در این مورد نظریههای مختلفی وجود دارد، نظریههای موجود اغلب باهم فرق میکنند که کلیه ویژگیهای اکسیداسیون آندی را در برنمیگیرند. در این مقاله مکانیزم تشکیل بر اساس نظریه میدان توضیح داده میشود. در کل رشد نانولولههای تیتانیم اکسید بر اساس 3 فرآیند کلیدی انجام میشود:
-1اکسیداسیون درخط واصل فلز-اکسید به کمک میدان که میتوان بدین گونه بیان کرد:
با توجه به نمودار I-t میتوان فرآیند شکلگیری و رشد این نانولولهها را توضیح داد. با توجه به شکل شماره 1 که برای آندایز 1 ساعتی آورده شده است، زمانی که لایهی اکسید فلزی روی سطح تیتانیم تشکیل میشود رسانش کاهشیافته و افت شدید جریان وجود دارد - مرحله - 1، با افزایش زمان، ساختار حفرهها تشکیل میشود که آغاز هستهسازی نانولولهها هست و همانطور که از نمودار مشخص است در مرحله2 جریان شروع به افزایش یافتن کرده است. در مرحله سوم جریان ا کاهشیافته است که نشاندهندهی شروع رشد نانولولهها و افزایش طول آنها هست. در مرحلهی آخر - 4 - ، جریان اکسیداسیون به مقدار ثابت رسیده که نشاندهنده به تعادل رسیدن فرآیند رشد نانولولهها است.
