Preparation of separated and open e

Preparation of separated and open end TiO2 nanotubes

Zhao Jing-zhonga, , , Bai Yanga, Zhang Kuna, Lin Yea, Kathy Lub
 Show more
doi:10.1016/j.ceramint.2015.02.157
Get rights and content
Abstract
Separated and open end TiO2 nanotubes with large surface area and through-hole structure exhibit exciting functionalities in energy and environmental applications. In this study, TiO2 nanotube membranes are created using high purity titanium sheets as raw materials by anodic oxidation at 100 V for 12 h in ethylene glycol+0.25 wt% NH4F+5 vol% H2O. The pore size of the nanotubes is 215 nm with uniform diameters. Close-packed TiO2 nanotube arrays are separated by immersion in a 0.15 wt% HF water solution. With further dissolution by 40% HF water solution for 10 min, the barrier layer at the back of the TiO2 nanotubes completely disappears and the nanotubes become open at both ends. This study offers a facile approach of making separated and open-end nanotubes for electrocatalytic purposes.

Keywords
Anodic oxidation; TiO2 nanotube arrays; Open tubes; Tube separation
1. Introduction
TiO2 is an important functional material and has demonstrated promising applications in a number of areas. TiO2 nanotubes can further improve their functions due to the high specific surface area and ordered nanotube arrangement. They have been widely used in dye-sensitized solar cells (DSSCs) [1], [2] and [3], photo-catalysis [4] and [5], gas sensing [6], [7] and [8], water splitting [9] and [10], etc. TiO2 nanotube arrays can be prepared by hydrothermal method [11], template method [12] and [13], and anodic oxidation method [14], [15], [16], [17] and [18]. Compared with other methods, anodic oxidation for preparing TiO2 nanotube arrays is attracting more attention because of its simplicity, low cost, self-ordering process, and the ease of controlling the nanotube morphology by changing anodization conditions. As pointed out, the advantages of TiO2 nanotubes over TiO2 thin films are larger surface-to-volume ratio and unidirectional electrical conducting path with fewer grain boundaries. However, after the anodization process, the as-prepared anodic TiO2 nanotube membranes are attached on a Ti substrate; the bottom ends are closed and the nanotubes are bonded to each other. For most applications, including sensors, photoelectrodes, photocatalysis, a semi-spherical barrier layer at the bottom of nanotubes can cause recombination of electrons and holes while preventing gas or solution transport through nanotubes. In addition, nanotubes are bonded to each other, percolation and diffusion of dyes or electrolytes through interstratification between nanotubes is difficult and interfacial reactions cannot occur on the outer surfaces of the nanotubes when used in DSSCs [19] and [20]. These deficiencies decrease the photoelectrochemical conversion efficiency and limit the applications of TiO2 nanotube arrays. This is a need to further open the bottom ends and broaden the intertube space of free-standing nanotubes. To date, the preparation of a free-standing TiO2 nanotube membrane by the selective dissolution of a metallic substrate has been reported [21]. Free-standing TiO2 nanotube arrays have been prepared by applying a reverse-bias voltage at the end of anodization and then exposure to HF vapor to obtain through-hole morphology [22]. Most recently, a simple one-step route was reported; increasing the anodization voltage for a short time at the end of the anodization process can break the adhesion of the TiO2 nanotube layer to the underlying Ti substrate and simultaneously open the tube bottoms [23], [24] and [25]. Most of the above approaches result in free-standing TiO2 nanotube layers with open bottoms, but the intertube space of the close-packed nanotubes is narrow and the outer surfaces of the nanotubes cannot be directly exposed to an external environment. In this paper, TiO2 nanotube membranes were first fabricated using high purity titanium sheets as raw materials by anodic oxidation at 100 V for 12 h in ethylene glycol+0.25 wt% NH4F+5 vol% H2O. The formed oxide layer was then removed by intense ultrasonication in deionized water. Two-step chemical etching was applied to obtain separated and open end TiO2 nanotubes. The first step was immersing the membrane in a 0.15 wt% HF water solution for different time to separate close-packed TiO2 nanotubes. The second step was suspending the separated nanotubes above a 40% HF water solution for different time so that the close ends were exposed to the atmosphere of hydrofluoric acid. The mechanisms of the tube opening and separation processes were discussed.

2. Experiments
Titanium foils with 99.99% purity and 0.25 mm thickness (Beijing Mountain Technical Development Center) were cut to 10 mm by 15 mm pieces and polished by sand papers to remove scratches and the oxide layer, and then ultrasonically cleaned in acetone, ethanol, and deionized water for 15 min each. The chemical polishing process was carried out in a mixed solution of 1:3:6 hydrofluoric acid, nitric acid, and deionized water for 30 s. After that the titanium foil was blow-dried with cold air and put in ethanol. During the anodic oxidation, the titanium foil was used as the anode, graphite electrode was used as the cathode, and the electrolyte was composed of 0.25 wt% NH4F and 5 vol% deionized water in ethylene glycol. Anodic oxidation was carried out at room temperature under continuous stirring with a constant voltage of 100 V for 12 h. The titanium sheet after the anodic oxidation was put in ethanol for ultrasonic treatment until a crack appeared between the oxide layer and the metal base; then blow-dry was performed towards the crack in air until the oxide layer separated from the metal base. The oxide layer was removed and dried. To separate close-packed TiO2 nanotubes, the oxide layer was immersed in a 0.15 wt% HF water solution for different time. To open up the closed ends of the TiO2 nanotubes, the separated nanotube film was suspended above the saturated hydrofluoric acid so that the close ends were exposed to the atmosphere of hydrofluoric acid for different time. Afterwards, the nanotube arrays were washed with distilled water and kept in a bottle after drying. Scanning electron microscopy (SEM, JSM-6700F) was used to characterize the morphologies of the fabricated nanotube structures.

3. Results and discussion
3.1. TiO2 nanotube array fabrication

Fig. 1 shows the typical SEM images taken from a TiO2 nanotube array created in ethylene glycol. Fig. 1(a) is the SEM image from the bottom of the TiO2 nanotube arrays. Many cells have hexagonal bottoms and arrange densely. Fig. 1(b) shows the SEM image taken from the top surface of the TiO2 nanotube arrays, the nanotubes arrange densely, the tube inner diameter and the distance between the tubes are 215 nm and 277 nm, respectively. The wall thickness of the nanotubes is about 13 nm. Fig. 1(c) and (d) shows the SEM image taken from the side of the nanotube array. The final length of the nanotubes is about 35 μm. The ends of the nanotubes are hemispherical, and the nanotubes are connected to each other by some horizontal and fiber-like connectors outside of the nanotube walls. In particular, there are no such connecting structures within a distance of about 100 nm from the end of the nanotubes; this part of the nanotubes just packs up and gaps are present between the nanotubes. As shown in Fig. 1(a) by the arrows, the darker color gaps can be seen at the ends of the nanotubes.


Fig. 1. 
SEM images of TiO2 nanotube arrays: (a) bottom surface, (b) top surface, (c) and (d) side surface of the nanotubes.
Figure options
The nanotube array formation process can be understood as follows[26], [27], [28] and [29]: At the beginning of the anodic oxidation of titanium, a compact TiO2 thin film is first produced, which is the so-called barrier layer. With the formation of the oxide layer on the surface, the electric field that the oxide layer sustains increases sharply. In some areas on the barrier layer, the oxide can break down and dissolve under the impact of the acidic electrolyte solution and the electric field. This leads to the formation of nanopores. Because of the small curvature from the nanopores, the electric field concentrates at the bottoms of the nanopores and accelerates the anodization rate of the nanopore bottoms. As the anodization process continues, the nanopores grow in depth. The growth of the nanopores is a result of the barrier layer advancing to the metal base. When the advancing rate is the same as the rate of the dissolution of the oxide layer at the bottom of the nanopore, the thickness of the barrier layer will not change with the increase of the pore depth. Meanwhile, the metal Ti in-between the nanopores is consumed by the anodization. The dehydration of the Ti(OH)x species leads to the gaps between the nanopores, nanotubes thus formed.

The cell wall of the anodic TiO2 nanotubes is composed of a mixture of TiO2 and titanium hydroxide based on the following reactions as proposed by Chen et al. [30]:

equation(1)
H2O→H++OH−
equation(2)
OH−→H++O2−
equation(3)
Ti+xOH−→Ti(OH)x+xe−
equation(4)
Ti+2O2−→TiO2+4e−
Balance of the TiO2 dissolution and oxidation processes leads to the growth of nanoporous structures. The titanium hydroxide can dehydrate into TiO2, which leads to volume shrinkage. At the cell boundary where two neighboring cell walls encounter each other, the volume shrinkage from the dehydration of titanium hydroxide leads to the separation of neighboring nanotubes, which explains why gaps are present between the nanotubes as shown in Fig. 1(a) by the arrows. Some ligament- or fiber-like species remain in-between the tubes should be the titanium hydroxide that cannot dehydrate into TiO2.

3.2. TiO2 nanotube array separation

The TiO2 nanotubes produced by the anodic oxidation method arrange closely, only the inner walls and the bottom surfaces

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

เตรียมแยก และเปิดท้าย TiO2 nanotubesเส้าจิง-zhonga,,, ไบ Yanga เตียว Kuna หลินใช่ เคธีหลับ ดูเพิ่มเติมdoi:10.1016/j.ceramint.2015.02.157ได้รับสิทธิและเนื้อหาบทคัดย่อปลายเปิด และแยก TiO2 nanotubes ขนาดพื้นผิวตั้งและแสดงผ่านหลุมโครงสร้างฟังก์ชันในโปรแกรมประยุกต์สิ่งแวดล้อมและพลังงานที่น่าตื่นเต้น ในการศึกษานี้ เยื่อหุ้มท่อนาโน TiO2 ใช้แผ่นไทเทเนียมบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบสามารถสร้าง ด้วยการออกซิเดชัน anodic 100 V สำหรับ h 12 ในเอทิลีน glycol + 0.25 wt % NH4F 5 vol % H2O ขนาดรูใน nanotubes เป็น 215 nm มีสมมาตรรูป ปิดบรรจุอาร์เรย์ของท่อนาโน TiO2 จะถูกคั่น ด้วยแช่ใน 0.15 wt % HF น้ำโซลูชัน ยุบเพิ่มเติมโดย 40% แก้ปัญหาน้ำ HF สำหรับ 10 นาที ชั้นกั้นทาง TiO2 nanotubes หายอย่างสมบูรณ์ และ nanotubes จะกลายเป็นเปิดที่ปลายทั้งสอง การศึกษานี้มีวิธีการร่มทำการแยก และโออี nanotubes ประสงค์ electrocatalyticคำสำคัญออกซิเดชัน anodic อาร์เรย์ของท่อนาโน TiO2 หลอดเปิด ท่อแยก1. บทนำTiO2 เป็นวัสดุงานสำคัญ และได้สาธิตโปรแกรมสัญญาในจำนวนของพื้นที่ TiO2 nanotubes สามารถเพิ่มเติมปรับปรุงหน้าที่บริเวณผิวสูงและทิวบ์สั่งจัด พวกเขาได้รับกันอย่างแพร่หลายใช้ใน sensitized ย้อมเซลล์แสงอาทิตย์ (DSSCs) [1], [2] [3], เร่งปฏิกิริยาภาพ [4] และ [5], แก๊สตรวจ [6], [7] [8], น้ำแยก [9] และ [10], เป็นต้น อาร์เรย์ของท่อนาโน TiO2 สามารถนำมาปรุง โดยวิธี hydrothermal [11], แม่แบบวิธี [12] [13], และ anodic ออกซิเดชันวิธี [14], [15], [16], [17] [18] และได้ เปรียบเทียบกับวิธีอื่น ๆ ออกซิเดชัน anodic สำหรับอาร์เรย์ของท่อนาโน TiO2 เตรียมจะดึงดูดความสนใจเพิ่มมากขึ้นเนื่องจากความเรียบง่าย กระบวนการสั่งซื้อด้วยตนเอง ประหยัด และความสะดวกในการควบคุมสัณฐานวิทยาทิวบ์โดยเปลี่ยนเงื่อนไข anodization ที่ชี้ให้เห็น ข้อดีของ TiO2 nanotubes ผ่านฟิล์มบาง TiO2 มีอัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรใหญ่และเส้นทางทำไฟฟ้าทิศทางขอบเขตของเมล็ดน้อยลง อย่างไรก็ตาม หลังจากกระบวนการ anodization การเตรียมเป็น anodic TiO2 ทิวบ์เยื่อหุ้มอยู่บนพื้นผิวตี้ ปิดปลายล่าง และ nanotubes ที่ผูกพันกัน สำหรับการใช้งานมากที่สุด รวมทั้งเซนเซอร์ photoelectrodes, photocatalysis ชั้นกั้นกึ่งทรงกลมที่ด้านล่างของ nanotubes สามารถเกิด recombination ของอิเล็กตรอนและหลุมขณะป้องกันก๊าซหรือโซลูชั่นการขนส่งผ่าน nanotubes นอกจากนี้ nanotubes ผูกพันกัน percolation และแพร่ของสีหรือไลต์ผ่าน interstratification ระหว่าง nanotubes เป็นเรื่องยาก และปฏิกิริยา interfacial ไม่สามารถเกิดขึ้นบนพื้นผิวภายนอกของ nanotubes เมื่อใช้ใน DSSCs [19] [20] เหล่านี้ยังลดประสิทธิภาพการแปลง photoelectrochemical และจำกัดการใช้งานของอาร์เรย์ของท่อนาโน TiO2 นี้จะต้องเปิดเพิ่มเติมจบด้านล่าง และขยายพื้นที่ intertube ของ nanotubes ยืนฟรี วันที่ การเตรียมเยื่อท่อนาโน TiO2 ยืนฟรีโดยการยุบเลือกโลหะพื้นผิวมีการรายงาน [21] ยืนฟรี TiO2 ทิวบ์อาร์เรย์ได้ถูกเตรียมไว้ โดยใช้อคติกลับแรงดันที่จุดสิ้นสุดของ anodization แล้วสัมผัสกับไอน้ำ HF รับผ่านหลุมสัณฐานวิทยา [22] ล่าสุด กระบวนการผลิตขั้นตอนเดียวง่าย ๆ รายงาน เพิ่มแรงดัน anodization สำหรับช่วงเวลาสั้น ๆ ในตอนท้ายของกระบวนการ anodization สามารถแบ่งยึดระหว่างชั้นพื้นผิวตี้ต้น และพร้อมท่อนาโน TiO2 เปิดท่อพื้น [23], [24] [25] และ ส่วนใหญ่แนวทางข้างต้นส่งผลให้ชั้นท่อนาโน TiO2 ยืนฟรีกับเปิดพื้น แต่พื้นที่ intertube ของ nanotubes ปิดบรรจุเป็นแคบ และพื้นผิวภายนอกของการ nanotubes ไม่ตรงถูกสภาพแวดล้อมภายนอก ในเอกสารนี้ เยื่อหุ้มท่อนาโน TiO2 มีก่อนหลังสร้างใช้แผ่นไทเทเนียมบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบ โดยออกซิเดชัน anodic 100 V สำหรับ h 12 ในเอทิลีน glycol + 0.25 wt % NH4F 5 vol % H2O ชั้นออกไซด์ที่ถูกต้องแล้วได้ถูกเอาออก โดย ultrasonication เข้มข้นในน้ำ deionized สองขั้นตอนทางเคมีกัดใช้ได้ปลายเปิด และแยก TiO2 nanotubes ขั้นตอนแรกถูกแช่เยื่อใน 0.15 wt % HF น้ำโซลูชันสำหรับเวลาที่แตกต่างเพื่อแยกบรรจุปิด nanotubes TiO2 ขั้นตอนสองถูกระงับ nanotubes แยกข้างต้นปัญหาน้ำ 40% HF ครั้งแตกต่างกันเพื่อให้ปลายปิดได้สัมผัสกับบรรยากาศของกรดไฮโดรฟลูออริก กลไกของท่อเปิดและกระบวนการแยกกล่าวถึง2. ทดลองTitanium foils with 99.99% purity and 0.25 mm thickness (Beijing Mountain Technical Development Center) were cut to 10 mm by 15 mm pieces and polished by sand papers to remove scratches and the oxide layer, and then ultrasonically cleaned in acetone, ethanol, and deionized water for 15 min each. The chemical polishing process was carried out in a mixed solution of 1:3:6 hydrofluoric acid, nitric acid, and deionized water for 30 s. After that the titanium foil was blow-dried with cold air and put in ethanol. During the anodic oxidation, the titanium foil was used as the anode, graphite electrode was used as the cathode, and the electrolyte was composed of 0.25 wt% NH4F and 5 vol% deionized water in ethylene glycol. Anodic oxidation was carried out at room temperature under continuous stirring with a constant voltage of 100 V for 12 h. The titanium sheet after the anodic oxidation was put in ethanol for ultrasonic treatment until a crack appeared between the oxide layer and the metal base; then blow-dry was performed towards the crack in air until the oxide layer separated from the metal base. The oxide layer was removed and dried. To separate close-packed TiO2 nanotubes, the oxide layer was immersed in a 0.15 wt% HF water solution for different time. To open up the closed ends of the TiO2 nanotubes, the separated nanotube film was suspended above the saturated hydrofluoric acid so that the close ends were exposed to the atmosphere of hydrofluoric acid for different time. Afterwards, the nanotube arrays were washed with distilled water and kept in a bottle after drying. Scanning electron microscopy (SEM, JSM-6700F) was used to characterize the morphologies of the fabricated nanotube structures.3. ผลลัพธ์ และสนทนา3.1. TiO2 ทิวบ์เรย์ประดิษฐ์นำมาจากแถวท่อนาโน TiO2 ที่สร้างเอทิลีนเอทิภาพแสดง SEM โดยทั่วไป fig. 1 Fig. 1(a) เป็นภาพ SEM จากด้านล่างของอาร์เรย์ท่อนาโน TiO2 หลายเซลล์มีพื้นหกเหลี่ยม และจัดเรียงหนาแน่นไป Fig. 1(b) แสดงภาพ SEM ที่มาจากพื้นผิวด้านบนของอาร์เรย์ท่อนาโน TiO2, nanotubes จัดเรียงหนาแน่นไป เส้นผ่าศูนย์กลางภายในท่อและระยะห่างระหว่างหลอด 215 nm และ 277 nm ตามลำดับ ความหนาของผนังของ nanotubes จะมีประมาณ 13 นาโนเมตร Fig. 1(c) และ (d) แสดงภาพ SEM มาจากด้านของเรย์ทิวบ์ ความยาวสุดท้ายของ nanotubes มี 35 μm ปลายของ nanotubes ครึ่ง และ nanotubes เชื่อมต่อกัน โดยบางแนวนอน และเส้นใยเช่นการเชื่อมต่อภายนอกผนังท่อนาโน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง มีไม่เชื่อมโครงสร้างดังกล่าวภายในระยะทางประมาณ 100 nm จากท้าย nanotubes nanotubes แห่งนี้เพียงแพ็คขึ้น และช่องว่างอยู่ระหว่าง nanotubes ตามที่แสดงใน Fig. 1(a) โดยลูกศร ช่องสีเข้มสามารถมองเห็นลงใน nanotubesFig. 1 ภาพใน SEM ของอาร์เรย์ของท่อนาโน TiO2: (ก) พื้น พื้นผิว (b) บน, (c) และ (d) ด้านพื้นผิว nanotubesตัวเลือกรูปสามารถเข้าใจกระบวนการก่อตัวของเรย์ทิวบ์นี้ [26], [27], [28] และ [29]: ที่จุดเริ่มต้นของการเกิดออกซิเดชัน anodic ของไทเทเนียม เป็นฟิล์มบาง TiO2 กระชับก่อนผลิต ซึ่งเป็นชั้นที่เรียกว่าอุปสรรคได้ มีการก่อตัวของชั้นออกไซด์บนผิว สนามไฟฟ้าที่รับคำสั่งของชั้นออกไซด์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว ในบางพื้นที่บนชั้นกั้น ออกไซด์สามารถทำลายลง และละลายภายใต้ผลกระทบของโซลูชันอิเล็กโทรเปรี้ยวและสนามไฟฟ้า นี้นำไปสู่การก่อตัวของ nanopores เนื่องจากขนาดเล็กจากการ nanopores สนามไฟฟ้ามุ่งเน้นที่บาง nanopores การ และช่วยเร่งอัตรา anodization บาง nanopore เป็นการ anodization กระบวนการยังคง nanopores เติบโตในความลึก การเติบโตของ nanopores เป็นผลของสิ่งกีดขวางชั้นเลื่อนฐานโลหะ เมื่อ advancing อัตราเดียวกับอัตราการยุบของชั้นออกไซด์ที่ด้านล่างของ nanopore จะไม่มีเปลี่ยนความหนาของชั้นอุปสรรคกับการเพิ่มขึ้นของความลึกของรูขุมขน ในขณะเดียวกัน โลหะตี้ระหว่าง nanopores มีการบริโภค โดยที่ anodization คายน้ำของใบตี้ (OH) x พันธุ์นำไปสู่ช่องว่างระหว่าง nanopores, nanotubes จึง เกิดขึ้นผนังเซลล์ของ anodic TiO2 nanotubes ประกอบด้วยส่วนผสมของ TiO2 และไทเทเนียมไฮดรอกไซด์ตามปฏิกิริยาต่อไปนี้เสนอโดย Chen et al. [30]:equation(1)H2O→H ++ OH−equation(2)OH−→H ++ O2−equation(3)ตี้ + xOH−→Ti (OH) x + xe−equation(4)ตี้ + 2O2−→TiO2 + 4e−ยอดดุลของ TiO2 ยุบและออกซิเดชันกระบวนการนำไปสู่การเติบโตของโครงสร้าง nanoporous ไฮดรอกไซด์ไทเทเนียมสามารถ dehydrate เป็น TiO2 ซึ่งนำไปสู่การสูญเสียปริมาณ ที่ขอบเซลล์ที่ผนังเซลล์ใกล้เคียงสองพบกัน หดตัวจากการคายน้ำของไฮดรอกไซด์ไทเทเนียมปริมาตรนำไปสู่การแบ่งแยก nanotubes ใกล้เคียง อธิบายทำไมช่องว่างอยู่ระหว่าง nanotubes แสดง โดยลูกศรใน Fig. 1(a) บางชนิดเอ็น หรือไฟเบอร์เหมือนอยู่ระหว่างหลอดควรไฮดรอกไซด์ไทเทเนียมที่ไม่ dehydrate เป็น TiO23.2 แยกแถวท่อนาโน TiO2Nanotubes TiO2 ที่ผลิต โดยวิธีออกซิเดชัน anodic จัดอย่างใกล้ชิด เฉพาะภายในกำแพงและพื้นผิวล่าง

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

การจัดทำแยกออกมาและสิ้นสุด TiO2 ท่อนาโนเปิดZhao Jing-zhonga, ตากใบ Yanga, Kuna  จางหลินเออเคทีหลับแสดงเพิ่มเติมดอย: 10.1016 / j.ceramint.2015.02.157 รับสิทธิและเนื้อหาบทคัดย่อปลายเฉพาะกิจและเปิดท่อนาโนTiO2 มีพื้นที่ผิวที่มีขนาดใหญ่และโครงสร้างผ่านหลุมจัดแสดงฟังก์ชันการทำงานที่น่าตื่นเต้นในการใช้พลังงานและการใช้งานด้านสิ่งแวดล้อม ในการศึกษานี้ TiO2 เยื่อนาโนสร้างขึ้นโดยใช้แผ่นไทเทเนียมบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบโดยไลซิที่ 100 V 12 ชั่วโมงได้ในเอทิลีนไกลคอล + 0.25% โดยน้ำหนัก NH4F + 5% โดยปริมาตร H2O ขนาดรูขุมขนของท่อนาโนเป็น 215 นาโนเมตรมีเส้นผ่าศูนย์กลางเครื่องแบบ ปิดบรรจุ TiO2 นาโนอาร์เรย์จะถูกแยกออกโดยการแช่ในน้ำหนัก 0.15% วิธีการแก้ปัญหาน้ำ HF ด้วยการสลายตัวต่อไปโดย 40% วิธีการแก้ปัญหาน้ำ HF 10 นาทีที่ชั้นอุปสรรคที่ด้านหลังของท่อนาโน TiO2 สมบูรณ์หายไปและท่อนาโนที่กลายเป็นเปิดที่ปลายทั้งสอง การศึกษาครั้งนี้มีวิธีการที่สะดวกในการทำแยกจากกันและท่อนาโนปลายเปิดสำหรับวัตถุประสงค์ electrocatalytic. คำไลซิ; อาร์เรย์ TiO2 นาโน; เปิดหลอด; แยกหลอด1 บทนำTiO2 เป็นวัสดุที่สำคัญการทำงานและการใช้งานได้แสดงให้เห็นแนวโน้มในหลายพื้นที่ ท่อนาโน TiO2 ยังสามารถปรับปรุงการทำงานของพวกเขาเนื่องจากพื้นที่ผิวสูงที่เฉพาะเจาะจงและมีคำสั่งให้จัดนาโน พวกเขาได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในสีย้อมไวแสงเซลล์แสงอาทิตย์ (DSSCs) [1], [2] [3] ภาพปฏิกิริยา [4] และ [5], การตรวจวัดก๊าซ [6] [7] และ [8] แยกน้ำ [9] และ [10] ฯลฯ TiO2 อาร์เรย์นาโนสามารถเตรียมได้ด้วยวิธีไฮโดร [11] วิธีเทมเพลต [12] และ [13] และวิธีไลซิ [14] [15], [16 ], [17] และ [18] เมื่อเทียบกับวิธีการอื่น ๆ ไลซิสำหรับการเตรียมอาร์เรย์ TiO2 นาโนจะดึงดูดความสนใจมากขึ้นเพราะความเรียบง่ายของมันค่าใช้จ่ายต่ำขั้นตอนการสั่งซื้อด้วยตนเองและความสะดวกในการควบคุมการเปลี่ยนรูปร่างของท่อนาโนจากการเปลี่ยนแปลงสภาพ anodization ในฐานะที่ชี้ให้เห็นข้อดีของท่อนาโน TiO2 มากกว่า TiO2 ฟิล์มบางมีอัตราส่วนพื้นสู่ปริมาณขนาดใหญ่และเส้นทางการดำเนินการไฟฟ้าทิศทางเดียวกับข้าวเขตแดนน้อย อย่างไรก็ตามหลังจากที่กระบวนการ anodization ที่เป็นเตรียมเยื่อนาโน TiO2 ขั้วบวกจะติดอยู่บนพื้นผิว Ti; ปลายด้านล่างถูกปิดและท่อนาโนจะถูกผูกมัดกับแต่ละอื่น ๆ สำหรับการใช้งานมากที่สุดรวมทั้งเซ็นเซอร์ photoelectrodes, photocatalysis ชั้นอุปสรรคกึ่งทรงกลมที่ด้านล่างของท่อนาโนสามารถก่อให้เกิดการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนและหลุมขณะที่การป้องกันขนส่งก๊าซหรือสารละลายผ่านท่อนาโน นอกจากนี้ท่อนาโนจะถูกผูกมัดกันซึมและการกระจายของสีย้อมหรืออิเล็กโทรผ่าน interstratification ระหว่างท่อนาโนเป็นปฏิกิริยาที่ยากและ interfacial ไม่สามารถเกิดขึ้นบนพื้นผิวด้านนอกของท่อนาโนเมื่อใช้ใน DSSCs [19] และ [20] ข้อบกพร่องเหล่านี้ลดประสิทธิภาพการแปลง photoelectrochemical และ จำกัด การใช้งานของอาร์เรย์ TiO2 ท่อนาโน นี่คือความจำเป็นที่จะต้องเปิดปลายด้านล่างและขยายพื้นที่ intertube ของท่อนาโนยืนฟรี ในวันที่การเตรียมความพร้อมของ TiO2 ยืนฟรีเมมเบรนนาโนจากการสลายตัวเลือกของพื้นผิวโลหะได้รับรายงาน [21] ยืนฟรีอาร์เรย์ TiO2 นาโนได้จัดทำขึ้นโดยการใช้แรงดันย้อนกลับอคติในตอนท้ายของ anodization แล้วสัมผัสกับไอ HF ที่จะได้รับสัณฐานผ่านหลุม [22] เมื่อเร็ว ๆ นี้ที่เรียบง่ายเส้นทางขั้นตอนเดียวมีรายงาน; เพิ่มแรงดันไฟฟ้า anodization เป็นเวลาสั้น ๆ ในตอนท้ายของกระบวนการ anodization สามารถทำลายการยึดเกาะของชั้น TiO2 นาโนไปยังพื้นผิว Ti พื้นฐานและพร้อมเปิดก้นหลอด [23] [24] และ [25] ส่วนใหญ่ของวิธีการดังกล่าวข้างต้นส่งผลให้ยืนฟรี TiO2 ชั้นนาโนกับพื้นเปิด แต่พื้นที่ intertube ของท่อนาโนใกล้บรรจุแคบและพื้นผิวด้านนอกของท่อนาโนที่ไม่สามารถสัมผัสโดยตรงกับสภาพแวดล้อมภายนอก ในบทความนี้ TiO2 เยื่อนาโนถูกประดิษฐ์ครั้งแรกที่ใช้แผ่นไทเทเนียมบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบโดยไลซิที่ 100 V 12 ชั่วโมงได้ในเอทิลีนไกลคอล + 0.25% โดยน้ำหนัก NH4F + 5% โดยปริมาตร H2O ชั้นออกไซด์ที่เกิดขึ้นจะถูกลบออกแล้วโดย ultrasonication รุนแรงในน้ำปราศจากไอออน แกะสลักเคมีสองขั้นตอนถูกนำมาใช้เพื่อให้ได้ปลายแยกออกจากกันและเปิดท่อนาโน TiO2 ขั้นตอนแรกที่ได้รับการแช่เยื่อในน้ำหนัก 0.15% วิธีการแก้ปัญหาน้ำ HF เวลาที่แตกต่างกันจะแยกใกล้บรรจุท่อนาโน TiO2 ขั้นตอนที่สองถูกระงับท่อนาโนแยกดังกล่าวข้างต้น 40% วิธีการแก้ปัญหาน้ำ HF เวลาที่แตกต่างกันเพื่อให้ปลายใกล้ได้สัมผัสกับบรรยากาศของกรดไฮโดรฟลูออริก กลไกของการเปิดหลอดและกระบวนการแยกได้กล่าว. 2 การทดลองฟอยล์ไทเทเนี่ยมที่มีความบริสุทธิ์ 99.99% และ 0.25 มมหนา (ปักกิ่งภูเขาเทคนิคศูนย์พัฒนา) ถูกตัดถึง 10 มม 15 มมชิ้นและขัดโดยเอกสารทรายที่จะเอารอยขีดข่วนและชั้นออกไซด์และจากนั้นทำความสะอาด ultrasonically ในอะซีโตนเอทานอลและ deionized น้ำนาน 15 นาทีในแต่ละ กระบวนการขัดสารเคมีที่ได้รับการดำเนินการในการแก้ปัญหาผสม 1: 3: 6 กรดไฮโดรฟลูออริก, กรดไนตริกและน้ำปราศจากไอออนสำหรับ 30 วินาที หลังจากนั้นฟอยล์ไททาเนียมที่ถูกเป่าแห้งด้วยอากาศที่หนาวเย็นและใส่ในเอทานอล ในช่วงไลซิฟอยล์ไททาเนียมที่ใช้เป็นขั้วบวกขั้วไฟฟ้ากราไฟท์ที่ใช้เป็นแคโทดและอิเล็กโทรไลประกอบด้วย 0.25% โดยน้ำหนัก NH4F และ 5% โดยปริมาตรน้ำปราศจากไอออนในเอทิลีนไกลคอล ไลซิได้ดำเนินการที่อุณหภูมิห้องภายใต้กวนอย่างต่อเนื่องที่มีแรงดันคงที่ 100 V 12 ชั่วโมง แผ่นไทเทเนียมหลังจากที่ไลซิถูกขังอยู่ในเอทานอลสำหรับการรักษาล้ำจนแตกปรากฏระหว่างชั้นออกไซด์และฐานโลหะ; แล้วเป่าที่ได้ดำเนินการไปสู่การแตกในอากาศจนชั้นออกไซด์แยกออกจากฐานโลหะ ชั้นออกไซด์จะถูกลบออกและแห้ง ที่จะแยกท่อนาโน TiO2 ใกล้บรรจุชั้นออกไซด์ที่ถูกแช่อยู่ในน้ำหนัก 0.15% วิธีการแก้ปัญหาน้ำ HF เวลาที่แตกต่างกัน ที่จะเปิดปลายปิดของท่อนาโน TiO2 ฟิล์มนาโนแยกถูกแขวนอยู่เหนือกรดไฮโดรฟลูออริกอิ่มตัวเพื่อให้ปลายใกล้ได้สัมผัสกับบรรยากาศของกรด hydrofluoric เวลาที่แตกต่างกัน หลังจากนั้นอาร์เรย์นาโนถูกล้างด้วยน้ำกลั่นและเก็บไว้ในขวดหลังจากการอบแห้ง กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนสแกน (SEM, JSM-6700F) ถูกใช้ในการอธิบายลักษณะรูปร่างลักษณะของโครงสร้างนาโนประดิษฐ์ที่. 3 และการอภิปรายผล3.1 TiO2 อาร์เรย์นาโนผลิตรูป 1 แสดงภาพ SEM ทั่วไปที่นำมาจากอาเรย์นาโน TiO2 สร้างขึ้นในเอทิลีนไกลคอล รูป 1 (ก) เป็นภาพ SEM จากด้านล่างของอาร์เรย์ TiO2 ท่อนาโน เซลล์หลายคนมีพื้นหกเหลี่ยมและจัดหนาแน่น รูป 1 (ข) แสดงให้เห็นภาพ SEM นำมาจากพื้นผิวด้านบนของอาร์เรย์ TiO2 นาโน, ท่อนาโนจัดหนาแน่นเส้นผ่าศูนย์กลางภายในหลอดและระยะห่างระหว่างท่อที่มี 215 นาโนเมตรและ 277 นาโนเมตรตามลำดับ ความหนาของผนังของท่อนาโนเป็นเรื่องเกี่ยวกับ 13 นาโนเมตร รูป 1 (ค) และ (ง) แสดงให้เห็นภาพ SEM นำมาจากด้านข้างของท่อนาโนอาร์เรย์ ความยาวของท่อนาโนสุดท้ายเป็นเรื่องเกี่ยวกับ 35 ไมโครเมตร ปลายของท่อนาโนเป็นครึ่งวงกลมและท่อนาโนที่มีการเชื่อมต่อกันโดยบางส่วนในแนวนอนและการเชื่อมต่อเช่นเส้นใยด้านนอกของผนังท่อนาโน โดยเฉพาะอย่างยิ่งไม่มีโครงสร้างการเชื่อมต่อดังกล่าวภายในระยะทางประมาณ 100 นาโนเมตรจากปลายท่อนาโนที่เป็น; ส่วนหนึ่งของท่อนาโนนี้เพียงแพ็คขึ้นและช่องว่างที่มีอยู่ระหว่างท่อนาโน ดังแสดงในรูป 1 (ก) โดยลูกศร, ช่องว่างสีเข้มสามารถมองเห็นได้ที่ปลายของท่อนาโนที่. รูป 1.  ภาพ SEM ของ TiO2 นาโนอาร์เรย์:. (ก) พื้นผิวด้านล่าง (ข) ด้านบน (ค) และ (ง) พื้นผิวด้านข้างของท่อนาโนตัวเลือกรูปที่กระบวนการก่ออาร์เรย์นาโนสามารถเข้าใจได้ดังต่อไปนี้[26], [27] [28] และ [29]: จุดเริ่มต้นของไลซิไทเทเนียมที่มีขนาดกะทัดรัด TiO2 ฟิล์มบางผลิตแรกซึ่งเป็นชั้นอุปสรรคที่เรียกว่า ด้วยการก่อตัวของชั้นออกไซด์บนพื้นผิวที่สนามไฟฟ้าที่ชั้นออกไซด์เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วค้ำจุน ในบางพื้นที่ในชั้นอุปสรรคออกไซด์สามารถทำลายลงและละลายภายใต้ผลกระทบของการแก้ปัญหาที่เป็นกรดและอิเล็กโทรไลสนามไฟฟ้า นี้นำไปสู่การก่อตัวของ nanopores เพราะความโค้งขนาดเล็กจาก nanopores ที่มุ่งเน้นสนามไฟฟ้าที่พื้นของ nanopores และเร่งอัตรา anodization ของพื้น nanopore ในฐานะที่เป็นกระบวนการ anodization ยังคง nanopores เติบโตในเชิงลึก การเจริญเติบโตของ nanopores เป็นผลของชั้นกั้นความก้าวหน้าให้กับฐานโลหะ เมื่ออัตราก้าวหน้าเป็นเช่นเดียวกับอัตราการสลายตัวของชั้นออกไซด์ที่ด้านล่างของ nanopore ที่ความหนาของชั้นอุปสรรคจะไม่เปลี่ยนแปลงกับการเพิ่มขึ้นของความลึกในรูขุมขน ในขณะที่โลหะ Ti ในระหว่าง nanopores มีการบริโภคโดย anodization การคายน้ำของ Ti (OH) x สายพันธุ์ที่จะนำไปสู่ช่องว่างระหว่าง nanopores ที่ท่อนาโนที่เกิดขึ้นจึง. ผนังเซลล์ของท่อนาโน TiO2 ขั้วบวกที่ประกอบด้วยส่วนผสมของ TiO2 และไฮดรอกไซไทเทเนียมขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาต่อไปนี้ตามที่เสนอโดยเฉินและ อัล การสลายตัวของ TiO2 และกระบวนการออกซิเดชั่นำไปสู่การเจริญเติบโตของโครงสร้าง nanoporous ไฮดรอกไซไทเทเนียมสามารถคายน้ำเข้า TiO2 ซึ่งนำไปสู่การหดตัวของปริมาณ ในขอบเขตของเซลล์ที่สองผนังเซลล์ที่อยู่ใกล้เคียงพบกันหดตัวจากปริมาณการคายน้ำของไฮดรอกไซไทเทเนียมนำไปสู่การแยกของท่อนาโนใกล้เคียงซึ่งอธิบายว่าทำไมช่องว่างที่มีอยู่ระหว่างท่อนาโนดังแสดงในรูปที่ 1 (ก) โดยลูกศร บางชนิด ligament- หรือเส้นใยเหมือนยังคงอยู่ในระหว่างท่อที่ควรจะเป็นไฮดรอกไซไทเทเนียมที่ไม่สามารถคายน้ำเข้า TiO2. 3.2 TiO2 นาโนอาร์เรย์แยกท่อนาโนTiO2 ผลิตโดยวิธีการไลซิจัดอย่างใกล้ชิดเท่านั้นที่ผนังด้านในและด้านล่างพื้นผิว

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

การแยกและปลายเปิด นาโน TiO2

Zhao Jing zhonga , , , ใบ yanga จางมี หลิน เออน่าหลับ

ดอย : ทำไมแสดงเพิ่มเติม 10.1016 / j.ceramint . 2015.02.157


ได้รับสิทธิและเนื้อหาเป็นนามธรรมและแยกปลายเปิดนาโน TiO2 ที่มีพื้นที่ผิวขนาดใหญ่และมีโครงสร้างที่ออกแบบฟังก์ชันใน พลังงานและงานด้านสิ่งแวดล้อม ในการศึกษานี้ถูกสร้างขึ้นโดยใช้แผ่นเมมเบรนนาโน TiO2 ไทเทเนียมบริสุทธิ์สูงเป็นวัตถุดิบ โดยการออกซิเดชันที่ 100   V 12 ไหม H ในเอทิลีนไกลคอล 0.25 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนักปริมาตร nh4f 5    % H2O ขนาดรูพรุนของนาโนเป็น 215 รึเปล่า nm ที่มีขนาดสม่ำเสมอ ปิดบริการนาโน TiO2 อาร์เรย์จะถูกแยกออกโดยการแช่ในน้ำ 0.15 เปอร์เซ็นต์ ทำไม HF โซลูชั่น กับการละลายต่อไปโดย 40% HF น้ำสารละลาย 10 เหรอมินกั้นชั้นที่ด้านหลังของ TiO2 นาโนอย่างสมบูรณ์จะหายไปและนาโนเป็นเปิดที่ปลายทั้งสอง งานวิจัยนี้เสนอวิธีการง่ายของการแยกและแบบนาโนเพื่อวัตถุประสงค์ electrocatalytic

คำสำคัญ
ไลซิส ; นาโน TiO2 อาร์เรย์ ; ท่อเปิด ท่อแยก
1 บทนำ
) เป็นวัสดุการทำงานที่สำคัญและได้แสดงให้เห็นสัญญาการใช้งานในหลายพื้นที่ นาโน TiO2 สามารถปรับปรุงการทำงานของพวกเขาเนื่องจากการสูง พื้นที่ผิวจำเพาะ และสั่งให้จัดนาโนทิวบ์ พวกเขามีการใช้กันอย่างแพร่หลายในต้นแบบเซลล์แสงอาทิตย์ ( dsscs ) [ 1 ] , [ 2 ] และ   [ 3 ] ถ่าย catalysis [ 4 ]   และ [ 5 ] , ตรวจวัดก๊าซ [ 6 ] [ 7 ]   และ [ 8 ]น้ำแตก [ 9 ]    [ 10 ] และ ฯลฯ ) นาโนอาร์เรย์สามารถเตรียมโดยวิธีไฮโดรเทอร์มอล [ 11 ] , [ 12 ] และแม่แบบวิธี   [ 13 ] และออกซิเดชัน anodic ) [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] , [ 17 ]   และ [ 18 ] เมื่อเทียบกับวิธีอื่น การออกซิเดชัน anodic สำหรับการเตรียมนาโน TiO2 อาร์เรย์คือการดึงดูดความสนใจมากขึ้นเพราะความเรียบง่าย ต้นทุนต่ำ ขั้นตอนการสั่งซื้อด้วยตนเอง ,และความสะดวกในการควบคุมของท่อนาโนโนไดเซชั่น โดยเปลี่ยนเงื่อนไข เป็นแหลมออก ประโยชน์ของนาโน TiO2 กว่าฟิล์ม TiO2 เป็นผิวขนาดใหญ่ต่อปริมาณและทิศทางการทำวิจัยทางไฟฟ้าที่มีขอบเขตของเม็ดน้อยลง อย่างไรก็ตาม หลังจากกระบวนการโนไดเซชั่น , เป็นเตรียมการนาโน TiO2 เยื่อแนบบน Ti พื้นผิว ;ปลายด้านล่างจะปิดและนาโนจะถูกผูกมัดกับแต่ละอื่น ๆ สำหรับการใช้งานมากที่สุด ได้แก่ เซ็นเซอร์ photoelectrodes photocatalysis , อุปสรรค , กึ่งทรงกลม ชั้น ที่ด้านล่างของนาโนสามารถก่อให้เกิดการรวมตัวของอิเล็กตรอนและหลุมในขณะที่การป้องกันหรือแก้ปัญหาการขนส่งก๊าซผ่านนาโน . นอกจากนี้ นาโนจะถูกผูกมัดกับแต่ละอื่น ๆ