előállított

  • elemeket
  • absztrakt
  • bevezetés
  • kísérleti szakasz
  • Eredmények és vita
  • következtetések
  • További információ
  • PDF fájlok
  • További információ
  • Hozzászólások

elemeket

  • Mechanikai tulajdonságok
  • Szerkezeti tulajdonságok

absztrakt

A TiO 2 (TNT) nanocsövek rétegeinek anodizált titán (Ti) nélküli szubsztrátumhoz való tapadásának gyenge ellenőrzése korlátozta széleskörű használatukat, mivel az eltávolítási mechanizmus még nem derült ki. Itt bemutatunk egy új módszert a TNT szétválasztásának ellenőrzésére különböző polaritású protikus és aprotikus oldószerekben feldolgozott minták utólagos feldolgozásával. Alacsonyabb polaritású szerves oldószerrel történő utókezelés növeli a tubuláris réteg tapadását, ellentétben a nagyobb polaritású oldószerrel végzett kezelés után a TNT réteg spontán elválasztásával. Az eltávolítási viselkedés mechanizmusának vizsgálatához a szakadási felület szerkezetét és összetételét tanulmányoztuk. Kísérleti eredményeink és korábbi tanulmányaink alapján a hidrogén-krakkolási (HAC) mechanizmust javasolták a természetes TNT-elválasztás és a TNT-sztrippelő viselkedés utólagos módosítással történő szabályozásának mechanizmusának magyarázatára, amelyben a protonok jelenléte a TNT-réteg közötti határfelületen és a Ti szubsztrát fontos szerepet játszik a két réteg koherenciájának ellenőrzésében. Röviden, ezt a módszert és mechanizmust a jövőben a TNT-vel kapcsolatos anyagok tervezésének és gyártásának eszközeként ígérik.

Az anódosítási eljárással előállított TiO 2 (TNT) nanocsövek a közelmúltban intenzív érdeklődést váltottak ki az ígéretes alkalmazásuknak köszönhetően az 1. fotokatalízis, a hidrogén tárolása, a víztisztítás 3, a 4 orvosbiológiai anyagok, az adaptált nedvesíthetőség 5 stb. A különböző morfológiájú TNT-ket, például kétrétegű és bambusz TNT 6-t az előállítási paraméterek beállításával állítottuk elő. Mor és mtsai. A 7 egy független szubsztrátmentes TNT-mezőt produkált egy ultravékony Ti permetezésével egy fluortartalmú ón-oxiddal bevont üveganódra, amely több lehetőséget biztosított a napelemek TNT-kutatására. Ezzel szemben sok más alkalmazással, például a titán implantátumok bevonásával biomedicina céljára, a TNT réteg 8 előírt biokompatibilitásának és gyógyszerbeviteli képességének köszönhetően előnyben részesítették a stabil TNT rétegeket, erős kohézióban Ti szubsztrátokkal. A csőszerkezetet azonban az anódozás befejezése után azonnal spontán eltávolítani lehetett, amikor az intratubuláris elektrolit elpárolgott, ami abszolút megakadályozta annak széleskörű alkalmazását.

Teljes méretű kép

kísérleti szakasz

A külön összeállított TiO 2 nanocsöves tömböket 60 V-os anódosítással, egyenárammal (DC) látták el, hagyományos etilén-glikol/NH 4 F rendszer alkalmazásával, 3 térfogat% H 2 O, 0,5 térfogat% H 3 PO 4 és 0, 3 tömeg% NH4F elektrolitként. Az eloxálási időt 5 órára állítottuk be. Nyolc, különböző polaritású, tiszta szerves oldószert használtunk a TiO 2 nanocsövek frissen előállított területeinek későbbi kezelésére. A mintákat 15 percig merítettük, majd a TiO 2 nanocsövek (TNT) rétege és a Ti szubsztrát közötti tapadási erőt Revetest karcolási teszttel jellemeztük. SEM, AFM és XPS mélységprofil elemzéssel jellemeztük a természetes és mechanikusan lecsupaszított TNT minták különféle interfészeinek mikroszerkezetét és összetételét.

Vissza karcolási tesztek. A feldolgozott TNT mintákat szobahőmérsékleten szárítottuk. A mintákat egy Revetest Scratch Tester-re (HH-3000) szereltük fel, majd az erőt 0 és 100 N közé terheltük. Az észlelés során a tesztelő tűje 5 mm hosszú területen karcosodott meg, a terhelési erőt 0-ról 100 N-ra növelve. 20 N/mm sebességgel. Amikor a tű hegye törékeny vékony filmet vágott az aljzatra, hallható jel érkezett, és a csúcsok egyszerre jelentek meg a grafikonokon. Figyelembe véve az akusztikus jel első csúcsát standardként, ez képviselheti a TNT és az aljzat közötti tapadási erőt.

XPS mélységprofil elemzés. Az eloxált minták szuperfaciális nanocsövek rétegét eltávolítottuk, és a fennmaradó szubsztrátumot ionmentes vízzel mostuk. A mintákat beszkenneltük és spektrális adatokat gyűjtöttük minden egyes maratás után (az Ar + 2 perces permetezésével), összesen hétszer ismételve. A vizsgálatot a gátló réteg közötti kompozitok finom variációinak elemzésére használtuk.

Eredmények és vita

A 15 mm x 20 mm x 4 mm méretű, 2. fokozatú titánlemezeket bizonyos körülmények között eloxálták, és a sikeresen összeállított tiszta TNT tömböket sikeresen összeállították. Azonban egy közös EG/NH4F elektrolit repedezett és szabálytalan "nanograss" felület kialakulását okozhatja15, míg a sima felülnézeti TNT-ket sikeresen előállították 16, 17. Továbbá Schmuki és mtsai. 18 megállapította, hogy a H20-tartalom befolyásolhatja a „nanograss” megjelenését. Itt egy módosított készítményt használtunk hozzáadott H 3 PO 4-gyel a TNT felső felületének tisztításához. Az elektrolit savasságának növekedése marhatja a felületi réteget a csövek tetején, és így jobban megjelenhet.

a) Az egyes mintákon végzett három párhuzamos karcolási karcolási vizsgálat során alkalmazott terhelési erő átlagos értéke. Nyolc szerves oldószert (aprotikus vagy protikus) (polaritás 0,01-7,2) használtunk a frissen előállított TNT-k későbbi kezelésére, és a mintákat kontrollként vízzel mostuk. b) Vázlatos ábra a természetesen elválasztó és mechanikusan elkülönített interfészekről. c) AFM fotók NS arcról és MS arcról.

Teljes méretű kép

Az Ar + porlasztás mindegyik mintát hétszer, 2 percig egyidejűleg maratta (porlasztási sebesség körülbelül 5 nm/perc 32).

Teljes méretű kép

Az NS interfészt illetően (3c. És 3d. Ábra) az első 4 perces maratás utáni profilok azt mutatták, hogy a Ti a fő fázis, amit a normalizált Ti0 csúcs bizonyít (Ti2p3/2 = 454, 1 eV, Ti 2p1/2 = 460, 1 eV) 30 kis mennyiségű O-val, amely a rács és a szerves oldószerek oxigénatomjaihoz tartozik (Os = 531, 3 eV-531, 6 eV, 533, 7 eV). Ennek oka a metil-alkohollal végzett kezelés, amely az anódozott TiO 2 réteg spontán szétesését eredményezte a Ti szubsztrátból, az NS felület főleg Ti marad. Meglepő módon az O1 csúcs 533,7 eV-nál megfelel -CH2-OH 31-nek, ami a TNT anódozásához használt elektrolit (EG) összetételének köszönhető. Ez erőteljesen bizonyította az áteresztő nanorészecske-csatornák létezését a gátrétegen keresztül az elektrolitmolekulák vagy más kismolekulájú anyagok behatolásához. Összefoglalva, ezek az eredmények arra utalnak, hogy a maradék anyag tiszta titánnak tekinthető az NS után.

Összehasonlítva az MS és NS XPS interfész kompozíciós elemzését, hasonlóságokat találtunk a Ti (Ti 2p3/2 = 454, 1 eV, Ti 2p1/2 = 460, 1 eV), TiOx fázisokban, lásd a további S8 ábrát. és BOH (01s, 531, 9 eV). Mindazonáltal a két kontrasztminta közötti különbségek összefoglalhatók: i) a Ti2p fő csúcsai és ii) a titán- és oxigénatomok kötődése. A Ti2p spektrum az MS-ben alacsonyabb kötési energiára vált át a TiH2 képződése miatt. A TiO x MS minták továbbra is a kezdeti oxidáció termékeinek tekinthetők, de az NS minta mély komponensei bizonyultak az egyetlen következetes fajnak (lásd még az S8c és S8d kiegészítő ábrát), amelyeknek a fém Ti eredeti oldott oxigénatomjainak kell lenniük.

Tudomásunk szerint a titán erősen képes oldani a hidrogént, és az intersticiálisan oldott hidrogén titán-hidridekké (Ti-H) 33 alakítható át, miközben a hidrogén koncentrációja növekszik. Ez a folyamat viszont csökkenti a Ti34 szívósságát. Ezért a zárórétegben lévő titán-hidridek hatékonyan növelhetik az anyagok ridegségét és felgyorsítják az esetleges repedéseket. Ez a spekuláció összhangban áll a hidrogén-megkötésről szóló korábbi irodalommal 35 és kísérleti eredményeinkkel.

a) H + áthalad a zárórétegen, b) a H2 buborékok kitágulása és a csőben lévő oldat folyadéknyomása egymással szemben van, c) a mechanikai egyensúly megszakad az elektrolit elpárolgása után, és repedések jelennek meg a a gátló réteg/szubsztrát Ti interfésze és gyorsan növekszik, d) a TNT réteg hámlik le, e) a gátló réteg erőelemzése.

Teljes méretű kép

Másrészt a TNT-gátló réteg és a 39 fém szubsztrát által kialakított úgynevezett Schottky-gátban hatalmas oxigénüregek vannak (lásd a 3a., 3b. Ábrát és az S8. Kiegészítő ábrát). Ezért a gátrétegbe behatoló hidrogén háromféleképpen reagálhat: (i) egy O-híd kötéssel (BBO) kötve egy -OH (BOH) 29 hidat képez (lásd a (2) egyenletet); (ii) titán-hidridek képződése, pl. TiH2; (iii) oxigénmegkötőkkel kombinálva oxigén komplexeket képeznek, amelyek viszont csökkenthetik a szabad térképződés energiáját, ezáltal növelve az oxigénmentes terek koncentrációját 40. Ezen lehetséges reakciók termékei (például BOH és szabad oxigének) további hidrogéngáz (H2) előállítását szolgálhatják (lásd a (3) egyenletet). Ezt a feltételezést a közelmúltban Yang et al. 29, aki megállapította, hogy az állandóan növekvő hőmérséklet és bizonyos koncentrációjú O szabad helyek (Vo) megléte megkönnyítheti a H2 molekulák képződését a BOH helyeken. Ez a szükséges feltétel a H2 előállításához egybeesik az anódos oxid/titán határfelület állapotával az anódosítási folyamat során, amelyet az elektromos energia átalakítása okoz 41 .

Általánosan elfogadott, hogy a hidridek adományozása önmagában megnehezíti a természetes törékeny törés elérését a HAC folyamatban külső erők alkalmazása nélkül. Ezenkívül, amint azt fentebb megjegyeztük, tekintettel arra, hogy hidrogénmolekulák képződhetnek a repedezett zárvány vagy a mátrix határfelületén, feltételezhetjük, hogy a magas nyomás eredményeként keletkező 35 hidrogénhólyagok szubkritikus 33 repedéshez vezethetnek. .

Feltételezésünk az volt, hogy az F1, F2 és F3 módosításával szabályozni lehetett a TNT réteg szubsztrátumról való lehúzási viselkedését. Ennek javítása érdekében innovatív módon bevezettünk nagy H2 oldhatóságú oldószereket a frissen készített TNT minták kezelésére az F2 csökkentése érdekében, a H2 buborékok eltávolításával a TNT réteg és a szubsztrát közötti határfelületen, ezáltal csökkentve a TNT sztrippelés tendenciáját. A frissen előállított TNT-minták szerves oldószerbe merítésével az oldószerből származó hidraulikus nyomás (F1) fennmaradt, amely stabil TNT-réteget tudott fenntartani, de megkönnyítheti a kis H2 molekula felszabadulását az oldószerbe, és időt vásárolhat a H2 felvételére A Ti és TiO2, az F2 csökken és a TNT réteg kohéziója megmarad. Ezért a jelen tanulmányban különböző polaritású oldószereket teszteltünk; korábban azt találták, hogy a H2 oldhatóság negatív korrelációt mutat a 45 oldószer polaritásával .

A kísérleti adatok tökéletesen egyetértenek hipotézisünkkel, nevezetesen azzal, hogy a nagyobb H2 oldhatóságú (alacsonyabb polaritású) oldószerek a csőréteg erősebb kohéziós erejéhez vezettek, és fordítva. A gőzrétegen keresztüli nanoanyagban áteresztő csatornák lehetséges létezését (amelyet XPS megerősítette) valószínűleg kihasználták a H2 gázmolekulák szerves oldószer általi "oldott felszabadítására". Ezenkívül a protikus oldószereket befolyásolta a savas mikrokörnyezet, amely erősen poláros oldószerré tette őket, és amelyeknek problémái voltak a H2 szolvatációval. Így azt találtuk, hogy az aprotikus oldószer sokkal jobb, mint a protikus oldószer a gátló réteg rögzítésére.

következtetések

Röviden, a jelen tanulmány egy új és egyszerű módszert javasolt a TNT réteg és a Ti szubsztrát közötti tapadási erő sikeres szabályozására. Megállapítottuk, hogy a TNT réteg sztrippelési viselkedése különböző polaritású szerves oldószerekkel történő későbbi kezeléssel szabályozható. Megállapítást nyert, hogy az alacsonyabb polaritású szerves oldószerrel történő későbbi kezelés, ellentétben a nagyobb polaritású oldószerrel végzett kezelés utáni TNT-réteg spontán elválasztásával, növelheti a csőszerű réteg tapadását. Ezen túlmenően ez az innovatív módszer és mechanikai tanulmány nemcsak kiterjesztette a TNT alkalmazását a titán és a fotoelektromos anyagok bevonatában, hanem alapvető betekintést nyújtott a HAC mechanizmusába a TNT eltávolításában. Ezek az alacsony költségű megközelítések a jövőben hozzájárulhatnak a nagyüzemi gyártáshoz.

További információ

PDF fájlok

További információ

Hozzászólások

Megjegyzés benyújtásával elfogadja az Általános Szerződési Feltételeinket és a közösségi irányelveket. Ha bármi sértőnek vagy összeegyeztethetetlennek tűnik a feltételeinkkel vagy irányelveinkkel, jelölje meg nem megfelelőként.