Loading..

شهرک صنعتی پرند، بعد از میدان فناوری، خیابان گلزار، کوچه گل آذین، پلاک 10
info@reactivemetal.com02128422927
شکل 3 :عکس های FESEM نانولوله های اکسید تیتانیوم آندایز شده در الف) 15 ولت ب) 30 ولت ج) 60 ولت بعد از عملیات حرارتی به ترتیب از بالا در °c 400 و °c 600

اکسید تیتانیوم (TiO2) کاربرد های زیادی مانند سلول­های خورشیدی و فوتوکاتالیست دارد. اکسید تیتانیوم قابلیت تبدیل شدن به سلول الکتروشیمیایی برای تولید الکترون یا جریان الکتریکی هنگامی که تحت نور خورشید قرار می­گیرد را دارد. از این رو می­توان از اکسید تیتانیوم برای تولید سلول­های خورشیدی حساس به رنگ استفاده نمود. در سال 2017، رهماواتی و سولامین با روش آندایز روی فویل تیتانیوم آزمایشاتی انجام دادند. در یک سل دو الکترودی که در آن تیتانیوم(با ضخامت 0.127 mm خلوص (99.7%) الکترود مثبت و فویل مولیبدنوم الکترود منفی آندایزها صورت گرفت. ابتدا فویل تیتانیوم به اندازه ­های 15mm ×50mm تکه تکه شد و سپس با سمباده سطح آن پرداخت شد و سپس در اتانول 15 دقیقه در التراسونیک قرار گرفت و بعد در آب مقطر قوطه­ ور و در هوا خشک شد. تمامی آندایزها در الکترولیت متشکل از اتیلن گلیکول و 5 درصد وزنی NH4F انجام شد. محدوده­ ی ولتاژ اعمال شده در آزمایشات حدود 15v تا 60v در مدت زمان 30 دقیقه بود. بعد از انجام آندایز نمونه­ ها در آب دیونیزه شسته شد. ساختار داخلی نانولوله ­های TiO2 آمورف بوده و برای دستیابی به ساختار کریستالی نیازمند عملیات حرارتی می­باشد، نمونه ­ها بعد از آندایز در دماهای 400 و 600 درجه سانتی گراد با نرخ کاهش دمای 10 درجه سانتی گراد بر دقیقه برای یک ساعت آنیل شد. نمودار شدت جریان-زمان در هین آندایز در 60 ولت در شکل ‏2‑1 نمایش داده شده، تشکیل نانولوله ­ها در هنگام آندایز 3مرحله را طی می­کند؛ الف) ابتدا تشکیل لایه­ ی محافظ ب) ایجاد نانو حفره­ ها و ج) مرحله پایدار رشد نانولوله ­ها است. در هنگام تشکیل لایه ­ی محافظ افت شدید جریان و آزاد شدن هیدروژن طبق رابطه­ ی زیر رخ می­دهد:

Ti + 2H2O → TiO2 +4H+                    

رشد و مکانیزم توسعه یافتن حفره­ ها با ولتاژ اعمالی و ترکیب الکترولیت رابطه دارد نقش کلیدی در آندایز تیتانیوم مقدار فلئور داخل الکترولیت ایفا می­کند.در طول واکنش هیدرولیز تجمع یون­های H+ رخ می­دهد و برای حفظ تعادل الکترون، یون­های F به سمت H+ می­روند. در الکترولیت­های حاوی فلئور، انحلال شیمیایی از محلول یون­های (TiF6)2- است؛

Ti4+ 2H+ + 6F → H2TiF6                        

چگالی جریان به آرامی افزایش می­یابد زیرا عملیات اچ توسط یون­های F در الکترولیت رخ می­دهد و همچنین Ti در الکترولیت رها می­شود(قسمت ب شکل ‏1). رشد یکنواخت نانولوله­ ها در سطح اکسیدی آند وقتی رخ می­دهد که مقدار جریان در طول زمان به ثبات برسد(قسمت ب شکل ‏1). قابل توجه است که چگالی جریان عبوری از آند در هین آندایز شامل دو بخش می­شود؛  قسمت اول جریانی که باعث انحلال در مرز بین الکترولیت و لایه­ ی اکسیدی است و بخش دوم جریانی که باعث اکسید شدن تیتانیوم در مرز بین فلز تیتانیوم و لایه ­ی اکسیدی است، می­یاشد.

نمودار جریان-زمان در طول انجام آندایز در 60 ولت.

 

برایند سرعت اچ شیمیایی در مرز بین الکترولیت و لایه اکسیدی و سرعت رشد نانو لوله­ ها در مرز بین فلز و لایه­ ی اکسیدی طول نانولوله را مشخص می­کند. هرچه الکترولیت اسیدی­تر (PH پایین) باشد سرعت اچ شیمیایی بیشتر می­شود و در نتیجه نانولوله­ های کوتاه­تری حاصل       می­شود.

شکل ‏2 : عکس های FESEM از فویل های آندایز شده در الف)15 ولت ب) 30 ولت ج) 60 ولت را قبل از عملیت حرارتی را نشان میدهد.

 

ولتاژ آندایز همان­طور که روی طول نانولوله ­ها اثر می­گزارد روی قطر آن نیز به طور مستقیم مؤثر است. اثر ولتاژ روی قطر نانولوله ­ها به دلیل نرخ تعداد حفره­ های ایجاد شده در ابتدای فرایند است. در ولتاژهای پایین­تر نانولوله با طول کوتاه­تر و قطر کوچکتر مورد انتظار است. شکل ‏2 ساختار ایجاد شده در ولتاژهای مختلف قبل از عملیات حرارتی را نشان می­دهد. همان­طور که ملاحظه می­شود در شکل ‏2-الف، ب و ج نمونه­ ها در 15، 30 و 60 ولت آندایز شده و در عکس FESEM عمودی به سطح ساختاری شبیه به حلقه دارند که نمایان­گر قطر نانولوله­ ها است. قطر نانولوله­ ها از 42.1 نانومتر به 57.02 نانومتر و به 100 نانومتر می­رسد که نشان می­دهد که با افزایش ولتاژ اندازه­ی حفره ها و در نتیجه قطر نانولوله ­ها افزایش یافته است. به طور مشابه طول نانولوله­ ها نیز از .78 میکرون به 1.84 میکرون و به 3.06 میکرون رسید. همان­طور که پیش­بینی می­شد جریانی که باعث حل شدن فلز در قسمت لایه­ ی محافظ عبور می­کند در ولتاژهای بالاتر باعث سریع­تر عمیق­ شدن حفره­ ها می­شود.

شکل 3 تفاوت نمونه ­ها را بعد از عملیات حرارتی نشان می­دهد. در 400 درجه سلسیوس آرایش نانولوله­ ها شروع به منظم شدن می­شود. ساختار سطحی نانولوله­ ها با بالاتر رفتن دمای آنیل تا 600 درجه هموارتر می­شود. همچنین ضخامت دیواره­ ها با کاهش اندازه ی حفره­ها افزایش می­یابد. این رفتار با پروسه­ ی آنیل می­توان توجیه کرد؛ اتم Ti در زیرلایه انرژی حرارتی کافی برای جابه جایی با هر اتم دیگر را دارد و در کنار یکدیگر مرتب و به خط می­شوند. وقتی روی نانولوله­ های TiO2 عملیات آنیل انجام می­شود، قطر و ضخامت دیواره­ی نانولوله ­ها افزایش یافته و نانولوله­ ها کاملا منظم می­شوند.

شکل 3 :عکس های FESEM نانولوله های اکسید تیتانیوم آندایز شده در الف) 15 ولت ب) 30 ولت ج) 60 ولت بعد از عملیات حرارتی به ترتیب از بالا در °c 400 و °c 600

 

شکل 4 نتایج xrd نمونه­ های آندایز شده در ولتاژهای 15 و 30 و 60 را قبل و بعد از آنیل نشان می­دهد. قبل از آنیل شدن TiO2 آمورف است زیرا فقط Ti دیده می­شود. بعد از آنیل ر دمای 400 درجه فاز آناتاس شروع به تشکیل شدن می­کند ضمنا در دمای 600 درجه سانتی گراد فاز روتایل از آناتاس شروع به تشکیل شدن می­کند.

شکل 4: نتایج حاصل از XRD برای نانولوله های آنیل شده در بالا در °c 400 و °c 600 و بلافاصله بعد از آندایز در الف) 15 ولت ب) 30 ولت ج) 60 ولت را نشان می دهد.

در تجزیه و تحلیل توپولوژی AFM ساختار زیرلایه­ ی تیتانیوم را زبر و تیز نشان می­دهد. بیشترین مقدار اصلی زیرلایه 50 نانومتر بود. بعد از آندایز ساختار تغییر کرد. در 15 ولت دانه­ ها کمتر تیز و کوچکتر شد. ضمنا در 30 ولت سطح تیز تر و زبرتر شد. در 60 ولت اندازه ­ی دانه­ های سطح شبیه برآمدگی­ ها بزرگ و با دره­ و تپه شد. در آنیل 400 درجه سانتی گراد سطح زبر و تیز شد در حالی که در 600 درجه سانتی گراد سطح گنبدی شکل و بزرگ شد که سطحی صاف­تر ایجاد کرد. از طرفی در دمای 400 درجه سانتی گراد بیشینه ­ی ارتفاع سطح بیشتر شد اما در 600 درجه سانتی گراد بیشینه­ ی ارتفاع کاهش یافت. در شکل 5 زبری سطح در مقابل  دمای آنیل را نشان می­دهد. رفتار نمونه­ ها افزایش زبری سطح را در دمای 400 درجه سانتی گراد و کاهش زبری را در دمای 600 درجه سانتی گراد نشان می­دهد

شکل ‏ 5: نمودار اثر دمای آنیل روی زبری سطح نانولوله ها

به طور خلاصه در ولتاژهای مختلف آندایز تیتانیوم انجام می­شود که حاصل آن نانولوله ­های اکسید تیتانیوم است. با توجه به نتایج ولتاژ بالاتر به طور متناسب  با قطر، ضخامت و طول نانولوله­ ها رابط دارد. ضمنان دمای آنیل روی ساختار کریستالوگرافی TiO2 از آمورف به آناتاس و روتایل اثر گزار است. ساختار آناتاس بعد از 400 و روتایل بعد از 600 درجه حاصل می­شود. با توجه به نتایج AFM وقتی  ولتاژ بالاتر اعمال شود، توپولوژی سطح زبرتر و همچنین شکل و اندازه­ی دانه­ ها کوچکتر می­شود. زبری سطح با افزایش دمای آنیل تا 400 درجه و 600 درجه به ترتیب افزایش و سپس کاهش می­یابد. به بیانی دیگر ساختار کریستالی آناتاس از روتایل زبر­تر است.

Write A Comment