بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، نانوذرات TiO2 تحت ولتاژهای مختلف، بهوسیلهی الکترواکسیداسیون ورقهی تیتانیوم فلزی در حضور یک آمین ساخته شدند. آمین بهکار رفته هم بهعنوان الکترولیت حامل و هم بهعنوان عامل پایدارساز و پوششدهندهی سطح ذرات جهت ممانعت از بههم پیوستن آنها و کنترل اندازهی ذرات ایفای نقش میکند. ذرات بدست آمده بهوسیلهی دستگاههای SEM و XRD مورد مطالعه قرار گرفتند. نتایج حاصل از بررسی نمونهها بهوسیله XRD ساختار آناتاز TiO2 را تأیید کرد. تصاویر SEM نشان دادند با افزایش ولتاژ از 12 تا 18 ولت اندازهی میانگین ذرات از حدود 20 نانومتر به حدود 14 نانومتر کاهش مییابد.
مقدمه
در سالهای اخیر، ساخت نانوذرات سرامیکی بهعلت دارا بودن خواص فیزیکی و شیمیایی بهتر، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در این میان نانوذرات دیاکسید تیتانیوم خواص الکتریکی، نوری و فوتوکاتالیستی خوبی از خود نشان دادهاند .[1] کاربرد و کارآیی این ماده بهشدت تحت تأثیر ساختار بلوری، شکل و اندازه- ی ذرات آن است .[2] بنابراین تلاشهای بسیار زیادی برای تولید نانوذرات دیاکسید تیتانیوم با اندازه، شکل و تخلخل کنترل شده جهت استفاده در لایههای نازک، سرامیکها، کامپوزیتها و کاتالیستها صورت گرفته است .[1] روش الکترواکسیداسیون در مقایسه با سایر روشهایی که تاکنون برای ساخت نانوذرات مورد استفاده قرار گرفتهاند،نسبتاً جدید است.
این روش تاکنون جهت تولید نانوذرات اکسیدآهن [3]، نانوذرات اکسیدروی [4]، نانوذرات اکسیدمس [5]، نانوذرات اکسیدنیکل [6] بهکار رفته است. این روش با سازگاری و انعطاف بالا در شرایط متعارفی محیط، سرعت بالای فرآیند ساخت، تمیز بودن سازوکار، عدم نیاز به تجهیزات پیچیده و گرانقیمت، روشی ساده، ارزان و مقرون بهصرفه است که اندازه، ریخت و خواص ساختاری محصولات را با تنظیم عوامل مؤثر بر رشد نانوذرات مانند اختلاف پتانسیل اعمال شده به سیستم بهگونهای مطلوب کنترل میکند و میتوان آن را بهروش مناسبی جهت تولیدات خدماتی بدل کرد. . در این تحقیق برای اولینبار نانوذرات TiO2 بهروش الکترواکسیداسیون تیتانیوم در حضور یک پایدارساز تولید شده است .
پایدارساز در این فرآیند از یک سو تثبیتکنندهی الکترولیت و از سوی دیگر بهعنوان یک عامل کنترلکنندهی رشد نانوذرات ایفای نقش میکند. بهمنظور ساخت نانوذرات TiO2 بهروش الکترواکسیداسیون از ورقهی تیتانیوم بهعنوان الکترود آند، یک الکترود فلزی بهعنوان کاتد و از محلولی آبی- نمکی نیز بهعنوان الکترولیت، استفاده میشود. از جمله عوامل مؤثر بر اندازه و شکل ذرات حاصل در این فرآیند، چگالی جریان اکسیداسیون، پتانسیل اعمالی بر سلول الکتروشیمیایی و سایر شرایط فیزیکی و شیمیایی حاکم بر سیستم، مانند فاصلهی الکترودها، دمای واکنش، زمان انجام واکنش، غلظت عامل پایدارساز و pH محلول میباشد.
-2-2 روش ساخت
برای ساخت نانوذرات TiO2 بهروش الکترواکسیداسیون، دو قطعه تیتانیوم فلزی، که خلوص آنها توسط شرکت سازنده %98 گزارش شده است، به نسبت مساحت 1 به 3 بهترتیب بهعنوان آند خورده شونده و کاتد تهیه شد. سطوح هر دو الکترود ابتدا بهوسیله صیقل مکانیکی و سپس شستشو با اتانول، کاملاً تمیز و عاری از هرگونه آلودگی گردید. محلول الکترولیت، با استفاده از آب یونزدایی شده و نمک تترامتیل آمونیوم کلراید، C4H12NCl - تهیه شده از شرکت - Merck با غلظت 0/04 مولار تهیه و با افزایش چند قطره آمونیاک، pH آن به 10 رسانده شد.
سپس سلول شیمیایی شامل محلول الکترولیت و الکترودها در یک حمام ترموستاتیک با دمای 65 5 درجه سانتیگراد قرارگرفت. پس از اینکه سیستمکاملاً همدما گردید، ولتاژ اکسیداسیون بهوسیلهی یک دستگاه منبع تغذیه به سلول به میزان 14 ولت اعمال گردید. با اعمال ولتاژ، تیتانیوم فلزی بهکار رفته بهعنوان آند اکسایش یافته و به یون تیتانیوم تبدیل می - شود. در سطح کاتد نیز الکترولیت آبی احیاء شده و یون هیدروژن و هیدروکسید تولید میگردد. گونههای یونی تشکیل شده در محلول منجر به تولید دیاکسید تیتانیوم آمورف شده که با حرارت- دهی در کوره به دیاکسید تیتانیوم بلوری تبدیل میگردد.
پس از اعمال ولتاژ، الکترولیت در آغازکاملاً بیرنگ مشاهده گردید، ولی پس از اعمال ولتاژ، با شروع واکنشهای الکتروشیمیایی بهتدریج به شیری و سپس به سفید تبدیل شد. پس از گذشت 30 دقیقه از آغاز واکنش سلول از حمام ترموستاتیک خارج و بهمنظور جمعآوری ذرات تشکیل شده از دستگاه سانترفیوژ استفاده شد. سپس رسوبات جمع آوری شده با آب مقطر شستشو داده شده و در دمای 80 درجه سانتیگراد خشک شدند. پودر بدست آمده به مدت 2 ساعت در دمای 500 درجهی سانتی - گراد حرارت داده شد. در این تحقیق بهمنظور بررسی اثر ولتاژ 3 نمونهی دیگر با اعمال ولتاژهای 12 و 16 و 18 ولت ساخته شد. نمونههای ساخته شده از نظر ماهیت ساختار بهوسیلهی دستگاه پراش اشعهی ایکس - XRD - و از نظر شکل و اندازه با میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مورد مطالعه و مشخصه - یابی قرار گرفتند.
نتایج حاصل از پراش اشعه ایکس .
بهمنظور تعیین ساختار پودرهای سفید رنگ بدست آمده، این محصولات توسط دستگاه XRD مورد بررسی قرار گرفتند. الگوی XRD نمونههای تولید شده در ولتاژهای مختلف در شکل 1 نشان داده شده است. با مقایسهی الگوی پراش حاصل از این بررسی با اطلاعات کارتهای استاندارد - 004-0477 - مشاهده میشود می - شود که با افزایش ولتاژ الگوی نمونهها با با اطلاعات موجود در کارت استاندارد مطابقت بیشتری دارد. دیاکسید تیتانیوم دارای سه فاز روتیل، آناتاز و بروکیت است. هر دو فاز آناتاز و روتیل دارای ساختار بلوری چارگوشی و فاز بروکیت دارای ساختار بلوری راستگوشه میباشد. تفاوت این سه فاز در نحوهی آرایش این هشتوجهیها است. الگوی پراش نمونههای ساخته شده در این تحقیق، فاز آناتاز و ساختار تتراگونال نمونه را با توجه به جایگاه قلهها تأیید می کند
تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی
بهمنظور تعیین اندازهی ذرات تولید شده و مطالعهی ریخت آنها از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده گردید. در شکل 2 تصاویر نمونههای ساخته شده تحت 12، 14، 16، 18 ولت آورده شده است. اندازهی ذرات با استفاده از نرمافزار اندازهگیری 1 تعیین گردید. نتایج حاصل از این بررسی در جدول 2 گردآوری شده و نمودار تغییرات اندازه ذرات بر حسب ولتاژ اعمال شده در نمودار شکل 3 رسم شده است. همانطور که مشاهده میشود، در ابتدا با افزایش ولتاژ از 12 به 18 ولت اندازهی میانگین ذرات از حدود 20 نانومتر به حدود 14 نانومتر کاهش نشان می دهد. ساختار تودهای ذرات در تصاویر بهدلیل ماهیت دیاکسید تیتانیوم است .[7]
