наклона

  • елементи
  • абстрактно
  • Въведение
  • експериментална секция
  • Резултати и дискусия
  • заключения
  • Допълнителна информация
  • PDF файлове
  • Допълнителна информация
  • Коментари

елементи

  • Механични свойства
  • Структурни свойства

абстрактно

Лошият контрол върху адхезията на слоевете нанотръби TiO 2 (TNT) към субстрат без анодизиран титан (Ti) ограничи широкото им използване, тъй като механизмът за отстраняване все още не е разкрит. Тук представяме нов начин за контролиране на отделянето на TNT чрез последваща обработка на проби, обработени в проточни и апротонни разтворители с различни полярности. Последващата обработка с органичен разтворител с по-малка полярност увеличава адхезията на тръбния слой, за разлика от спонтанното отделяне на TNT слоя след обработка с разтворител с по-висока полярност. Структурата и съставът на границата на разкъсване бяха проучени, за да се изследва механизмът на поведение на отстраняване. Въз основа на нашите експериментални резултати и предишни проучвания, механизмът за водороден крекинг (HAC) е предложен да обясни механизма на естественото разделяне на TNT и контрола на поведението на TNT отстраняване чрез последваща модификация, при която присъствието на протони на границата между TNT слоя и Ti подложката играе важна роля в контрола на съгласуваността на двата слоя. Накратко, този метод и механизъм обещават да се използват в бъдеще като инструмент за проектиране и производство на свързани с TNT материали.

Нанотръбите TiO 2 (TNT), приготвени от процеса на анодиране, напоследък привличат голям интерес поради обещаващите си приложения в областта на фотокатализата 1, съхранението на водород 2, пречистването на вода 3, биомедицинските материали 4, адаптирана омокряемост 5 и др. TNT с различни морфологии, като двуслой и бамбуков TNT 6, са произведени чрез коригиране на параметрите на препарата. Mor et al. 7 са произвели независимо TNT поле без субстрат чрез разпръскване на ултратънък Ti върху флуориран стъклен анод, покрит с калаен оксид, което предоставя повече възможности за изследване на TNT в слънчеви клетки. За разлика от това, по отношение на много други приложения, като покритието на титанови импланти за биомедицинска употреба, са предпочетени стабилни TNT слоеве със силно сцепление с Ti субстрати поради необходимата биосъвместимост и капацитет за доставяне на лекарства на TNT слой 8. Въпреки това, тръбната структура може да бъде премахната спонтанно веднага след края на анодизацията, когато интратубуларният електролит се изпари, което абсолютно предотврати широкото му приложение.

Изображение в пълен размер

експериментална секция

TiO 2 нанотръбните решетки, които бяха сглобени поотделно, бяха направени чрез 60 V анодизация, захранвана с постоянен ток (DC), използвайки конвенционална система от етилен гликол/NH 4 F, съдържаща 3 об.% H 2 O, 0,5 об.% H 3 PO 4 и 0, 3% тегловни NH4F като електролит. Времето за анодиране беше настроено на 5 часа. Осем чисти органични разтворители с различни полярности бяха използвани за последваща обработка на прясно произведени полета от TiO 2 нанотръби. Пробите се потапят за 15 минути, след което адхезивната сила между слоя TiO 2 нанотръби (TNT) и Ti субстрата се характеризира с Revetest Scratch Test. Анализът на дълбочинния профил на SEM, AFM и XPS е използван за характеризиране на микроструктурата и състава на различните интерфейси на естествено и механично оголени TNT проби.

Тестове за надраскване на гърба. Обработените TNT проби се сушат при стайна температура. Пробите бяха монтирани на Revetest Scratch Tester (HH-3000) и след това силата беше натоварена от 0 до 100 N. По време на откриването иглата на тестера беше надраскана в зона с дължина 5 mm, увеличавайки силата на натоварване от 0 до 100 N със скорост 20 N/mm. Тъй като върхът на иглата изрязва крехък тънък филм върху основата, се получава звуков сигнал и пиковете се появяват едновременно на графиките. Като се вземе предвид първият пик на акустичния сигнал като стандарт, той може да представлява адхезивната сила между TNT и основата.

XPS анализ на дълбочинен профил. Наднотръбният слой на повърхността на анодизираните проби се отстранява и останалият субстрат се измива с дейонизирана вода. Пробите се сканират и се събират спектрални данни след всяко ецване (чрез пръскане на Ar + за 2 минути), повтарящи се общо седем пъти. Анализът се използва за анализ на фините вариации на композитите между бариерния слой.

Резултати и дискусия

Титановите плочи с размери 15 mm x 20 mm x 4 mm, степен на чистота 2, бяха анодизирани при определени условия и успешно сглобени чисти масиви от TNT бяха сглобени успешно. Често срещаният електролит на EG/NH4F обаче може да причини образуването на напукана и неправилна повърхност на "нанотрева" 15, докато TNT с гладък изглед отгоре са успешно произведени 16, 17. Освен това, Schmuki et al. 18 заяви, че съдържанието на H20 може да повлияе на външния вид на "нанограса". Тук използвахме модифицирана формулировка с добавен H 3 PO 4 за почистване на горната повърхност на TNT. Повишаването на киселинността на електролита би могло да ецва повърхностния слой върху тръбите и по този начин да даде по-добър външен вид.

а) Средна стойност на натоварващата сила, приложена при три паралелни теста за надраскване, извършени за всяка проба. Осем органични разтворители, апротонни или антични (полярност от 0,01 до 7,2), бяха използвани за последваща обработка на прясно произведени TNT и пробите бяха промити с вода като контрола. (б) Схематична диаграма за естествено разделящи се и механично изолирани интерфейси. в) AFM снимки на NS face и MS face.

Изображение в пълен размер

Ar + разпрашаване гравира всяка проба седем пъти в продължение на 2 минути едновременно (скорост на разпрашаване приблизително 5 nm/min 32).

Изображение в пълен размер

По отношение на интерфейса NS (фигури 3в и 3d), профилите след първите 4 минути ецване показват, че Ti е основната фаза, както се вижда от нормализирания пик Ti0 (Ti2p3/2 = 454, 1 eV, Ti 2p1/2 = 460, 1 eV) 30 с малко количество О, които принадлежат към кислородните атоми в решетката и органичните разтворители (Os = 531, 3 eV-531, 6 eV, 533, 7 eV). Това се дължи на обработката с метилов алкохол, която доведе до спонтанно разпадане на анодизирания TiO 2 слой от Ti подложката, като NS повърхността остава главно от Ti. Изненадващо, пикът на O1s при 533,7 eV съответства на -СН 2 -ОН 31, което се дължи на състава на електролита (EG), използван за анодизиране на TNT. Това силно демонстрира съществуването на пропускливи канали от наночастици през бариерния слой за проникване на електролитни молекули или някои други малки молекулни вещества. В обобщение, тези резултати предполагат, че останалият материал може да се счита за чист титан след NS.

Сравнявайки композиционния анализ на XPS интерфейса MS и NS, открихме сходства във фазите Ti (Ti 2p3/2 = 454, 1 eV, Ti 2p1/2 = 460, 1 eV), TiOx (виж допълнителна фигура S8), BBO и BOH (01s, 531, 9 eV). Разликите между двете контрастни проби обаче могат да бъдат обобщени като: i) основните пикове на Ti2p и ii) свързването на титановите и кислородните атоми. Спектърът Ti2p в 'MS' се измества към по-ниска енергия на свързване поради образуването на TiH2. Пробите TiO x MS все още могат да се разглеждат като продукти на първоначалното окисление, но дълбоките компоненти в пробата NS се оказаха единствените постоянни видове (вж. Също Допълнителни фигури S8c и S8d), които трябва да бъдат оригиналните разтворени кислородни атоми в металния Ti.

Доколкото ни е известно, титанът има силен капацитет да разтваря водорода и разтвореният междувременно водород може да се превърне в титанови хидриди (Ti-H) 33, когато концентрацията на водород се увеличава. Този процес от своя страна намалява жилавостта на Ti34. Следователно титаниевите хидриди в бариерния слой биха били ефективни за увеличаване на чупливостта на материалите и ускоряване на потенциалното напукване. Тази спекулация е в съответствие с предходната литература 35 относно водородното крихтене и нашите експериментални данни.

а) H + преминава през бариерния слой, b) разширяването на H2 мехурчетата и налягането на флуида от разтвора в тръбите са едно срещу друго, c) механичното равновесие се нарушава след изпаряване на електролита и се появяват пукнатини в наноматериалите при бариерен слой/подложка Ti интерфейс и бързо се увеличава, d) TNT слой се отлепва, e) силовия анализ на бариерния слой.

Изображение в пълен размер

От друга страна, в така наречената бариера на Шотки, образувана от бариерния слой на TNT и металния субстрат 39, има масивни кислородни кухини (виж фигури 3а, 3b и допълнителна фигура S8). Следователно водородът, който е проникнал през бариерния слой, може да реагира по три начина: (i) свързване с О-мостова връзка (BBO), за да образува мост -OH (BOH) 29 (виж уравнение (2)); (ii) образуване на титанови хидриди, напр. TiH2; (iii) комбиниране с кислородни чистачи, за да се образуват кислородни комплекси, които от своя страна биха могли да намалят енергията на образуване на свободно пространство, като по този начин увеличават концентрацията на свободни пространства 40 Продуктите от тези възможни реакции (като BOH и свободен кислород) могат допълнително да служат за получаване на водороден газ (H2) (виж уравнение (3))). Това предположение наскоро беше подкрепено от Yang et al. 29, които установиха, че непрекъснато нарастващата температура и съществуването на определена концентрация на свободни от O места (Vo) могат да улеснят образуването на молекули H2 в местата на BOH. Това необходимо условие за производството на H2 съвпада със състоянието на границата аноден оксид/титан по време на процеса на анодиране, причинено от преобразуването на електрическата енергия 41, 42 .

Общоприето е, че даряването на хидриди само затруднява постигането на естествена чуплива фрактура в HAC процеса без използването на външни сили. В допълнение, както беше отбелязано по-горе, като се има предвид, че молекулите на водорода могат да се образуват при напуканото включване или матричната връзка, можем да предположим, че водородните мехури 35, получени от високото налягане, могат да доведат до подкритично напукване 33. .

Нашето предположение беше, че чрез модифициране на F1, F2 и F3 е възможно да се контролира отстраняването на поведението на TNT слоя от субстрата. За да подобрим това, ние въведохме иновативно разтворители с висока разтворимост H2 за обработка на прясно направени проби от TNT за намаляване на F2 чрез премахване на мехурчета H2 на границата между слоя TNT и субстрата, като по този начин намаляваме тенденцията за отстраняване на TNT. Чрез потапяне на прясно произведени TNT проби в органичен разтворител се поддържа хидравличното налягане (F1), генерирано от разтворителя, което може да поддържа стабилен TNT слой, но също така улеснява освобождаването на малка молекула H2 в разтворителя и да спечели време за поемане на H2 от Ti и TiO2. F2 се намалява и кохезията на TNT слоя се поддържа. Следователно, разтворители с различни полярности бяха тествани в настоящото изследване; по-рано беше установено, че разтворимостта на H2 има отрицателна корелация с полярността на разтворителя 45 .

Експерименталните данни напълно се съгласяват с нашата хипотеза, а именно, че разтворителите с по-висока разтворимост в H2 (с по-ниска полярност) доведоха до по-силна кохезионна сила на слоя на тръбата и обратно. Вероятното съществуване на пропускливи канали в наноматериала през бариерния слой (потвърдено от XPS) вероятно е било използвано за „разтвореното освобождаване“ на молекулите на газовия H2 от органичния разтворител. В допълнение, протонните разтворители са били засегнати от киселата микросреда, което ги е направило силно полярни разтворители и които са имали проблеми с H2 разтварянето. По този начин беше установено, че апротонният разтворител е много по-добър от проточния разтворител за фиксиране на бариерния слой.

заключения

Накратко, настоящото проучване предлага нов и прост начин за успешно контролиране на адхезивната сила между TNT слоя и Ti подложката. Установено е, че отстраняващото поведение на TNT слоя се контролира чрез последваща обработка с използване на органични разтворители с различни полярности. Установено е, че последващата обработка с органичен разтворител с по-малка полярност може, за разлика от спонтанното отделяне на TNT слоя след обработка с разтворител с по-висока полярност, да увеличи адхезията на тръбния слой. В допълнение, този иновативен метод и механично изследване не само разшириха приложението на TNT в покритието на титан и фотоелектрически материал, но също така предоставиха основна представа за HAC механизма при отстраняване на TNT. Тези евтини подходи могат да допринесат за мащабно производство в бъдеще.

Допълнителна информация

PDF файлове

Допълнителна информация

Коментари

Изпращайки коментар, вие се съгласявате да спазвате нашите Общи условия и насоки на общността. Ако откриете нещо обидно или несъвместимо с нашите условия или насоки, означете го като неподходящо.