forței

  • obiecte
  • abstract
  • introducere
  • Sectiunea Experimentala
  • rezultate si discutii
  • concluzii
  • Informatii suplimentare
  • Fișiere PDF
  • Informatii suplimentare
  • Comentarii

obiecte

  • Proprietăți mecanice
  • Proprietăți structurale

abstract

Controlul slab al aderenței straturilor de nanotuburi TiO 2 (TNT) la un substrat fără titan anodizat (Ti) a limitat utilizarea lor pe scară largă, deoarece mecanismul de îndepărtare nu a fost încă dezvăluit. Aici vă prezentăm o nouă modalitate de a controla separarea TNT prin prelucrarea probelor prelucrate în solvenți protici și aprotici cu polarități diferite. Post-tratarea cu un solvent organic cu polaritate mai mică crește aderența stratului tubular, spre deosebire de separarea spontană a stratului TNT după tratamentul cu un solvent cu polaritate mai mare. Structura și compoziția de la interfața de rupere au fost studiate pentru a investiga mecanismul comportamentului de îndepărtare. Pe baza rezultatelor noastre experimentale și a studiilor anterioare, mecanismul de fisurare a hidrogenului (HAC) a fost propus pentru a explica mecanismul separării TNT naturale și controlul comportamentului de stripare TNT prin modificarea ulterioară, în care prezența protonilor la interfața dintre stratul TNT iar substratul Ti joacă un rol important în controlul coerenței celor două straturi. Pe scurt, această metodă și mecanism promit să fie utilizate în viitor ca instrument pentru proiectarea și producerea materialelor legate de TNT.

Nanotuburile TiO 2 (TNT) preparate prin procesul de anodizare au atras recent un interes intens datorită aplicațiilor lor promițătoare în domeniul fotocatalizei 1, stocării hidrogenului 2, purificării apei 3, materialelor biomedicale 4, umectabilitatea adaptată 5 etc. TNT-uri cu morfologii diferite, cum ar fi TNT bistratificat și bambus 6, au fost produse prin ajustarea parametrilor de preparare. Mor și colab. 7 a produs un câmp independent de TNT fără substrat prin pulverizarea unui Ti ultra-subțire pe un anod de sticlă acoperit cu oxid de staniu dopat cu fluor, care a oferit mai multe oportunități pentru cercetarea TNT în celulele solare. În contrast, în ceea ce privește multe alte aplicații, cum ar fi acoperirea implanturilor de titan pentru utilizare biomedicală, au fost preferate straturi TNT stabile cu coeziune puternică cu substraturi Ti datorită biocompatibilității necesare și capacității de livrare a medicamentelor din stratul TNT 8 Cu toate acestea, structura tubulară ar putea fi îndepărtată spontan imediat după sfârșitul anodizării, când electrolitul intratubular s-a evaporat, ceea ce a împiedicat absolut aplicarea sa pe scară largă.

Imagine la dimensiune completă

Sectiunea Experimentala

Tablourile de nanotuburi TiO 2, care au fost asamblate separat, au fost realizate prin anodizare de 60 V alimentată cu curent continuu (DC) utilizând un sistem convențional de etilen glicol/NH 4 F conținând 3 vol% H 2 O, 0,5 vol% H 3 PO 4 și 0, 3% din greutate NH4F ca electrolit. Timpul de anodizare a fost stabilit la 5 ore. Opt solvenți organici puri cu polarități diferite au fost folosiți pentru tratamentul ulterior al câmpurilor proaspăt produse de nanotuburi de TiO2. Probele au fost scufundate timp de 15 minute, după care forța adezivă dintre stratul de nanotuburi TiO2 (TNT) și substratul Ti a fost caracterizată prin Revetest Scratch Test. Analiza profilului de adâncime SEM, AFM și XPS a fost utilizată pentru a caracteriza microstructura și compoziția diferitelor interfețe ale probelor de TNT decupate natural și mecanic.

Teste de zgârieturi la spate. Probele de TNT prelucrate au fost uscate la temperatura camerei. Probele au fost montate pe un Revetest Scratch Tester (HH-3000) și apoi forța a fost încărcată de la 0 la 100 N. În timpul detectării, acul tester a fost zgâriat într-o zonă lungă de 5 mm, mărind forța de încărcare de la 0 la 100 N cu o rată de 20 N/mm. Pe măsură ce vârful acului tăia o peliculă subțire fragilă pe substrat, a fost primit un semnal sonor și vârfurile au apărut simultan pe grafice. Luând în considerare primul vârf al semnalului acustic ca standard, acesta ar putea reprezenta forța adezivă între TNT și substrat.

Analiza profilului de profunzime XPS. Stratul de nanotuburi superficial al probelor anodizate a fost îndepărtat și substratul rămas a fost spălat cu apă deionizată. Probele au fost scanate și datele spectrale au fost colectate după fiecare gravare (prin pulverizare Ar + timp de 2 minute), repetate în total de șapte ori. Testul a fost utilizat pentru a analiza variația fină a compozitelor între stratul de barieră.

rezultate si discutii

Plăcile de titan care măsoară 15 mm x 20 mm x 4 mm, puritate de gradul 2, au fost anodizate în anumite condiții și au fost asamblate cu succes matrici TNT pure. Cu toate acestea, un electrolit comun EG/NH4F poate provoca formarea unei suprafețe „nanograss” 15 fisurate și neregulate, în timp ce TNT-urile cu o vedere de sus netedă au fost produse cu succes 16, 17. Mai mult, Schmuki și colab. 18 au afirmat că conținutul de H20 ar putea afecta aspectul „nanograss”. Aici, am folosit o formulare modificată cu H 3 PO 4 adăugat pentru a curăța suprafața superioară a TNT. O creștere a acidității electrolitului ar putea să graveze stratul de suprafață deasupra tuburilor și să ofere astfel un aspect mai bun.

a) Valoarea medie a forței de încărcare aplicată în trei teste paralele Scratch Scratch efectuate pentru fiecare probă. Opt solvenți organici, aprotici sau protici (polaritate de la 0,01 la 7,2), au fost folosiți pentru tratamentul ulterior al TNT-urilor proaspăt produse, iar probele au fost spălate cu apă ca martor. (b) Diagrama schematică pentru interfețele separate în mod natural și izolate mecanic. c) Fotografii AFM ale feței NS și ale feței MS.

Imagine la dimensiune completă

Ar + pulverizare gravată fiecare probă de șapte ori timp de 2 minute simultan (rata de pulverizare aproximativ 5 nm/min 32).

Imagine la dimensiune completă

În ceea ce privește interfața NS (Figurile 3c și 3d), profilurile după primele 4 minute de gravare au indicat că Ti a fost faza principală, dovadă fiind vârful normalizat Ti0 (Ti2p3/2 = 454, 1 eV, Ti 2p1/2 = 460, 1 eV) 30 cu o cantitate mică de O, care aparțin atomilor de oxigen din rețea și solvenți organici (Os = 531, 3 eV-531, 6 eV, 533, 7 eV). Acest lucru se datorează tratamentului cu alcool metilic, care a dus la dezintegrarea spontană a stratului de TiO 2 anodizat din substratul Ti, suprafața NS rămânând în principal din Ti. În mod surprinzător, vârful O1s la 533,7 eV corespunde cu -CH2 -OH 31, care se datorează compoziției electrolitului (EG) utilizat pentru anodizarea TNT. Acest lucru a demonstrat puternic existența unor canale permeabile de nanoparticule prin stratul de barieră pentru penetrarea moleculelor de electroliți sau a altor substanțe de molecule mici. Pe scurt, aceste rezultate sugerează că materialul rămas poate fi considerat titan pur după NS.

Comparând analiza compozițională a interfeței XPS MS și NS, am găsit similitudini în fazele Ti (Ti 2p3/2 = 454, 1 eV, Ti 2p1/2 = 460, 1 eV), TiOx (vezi figura suplimentară S8), BBO și BOH (01s, 531, 9 eV). Cu toate acestea, diferențele dintre cele două probe de contrast pot fi rezumate ca: i) vârfurile principale ale Ti2p și ii) legătura atomilor de titan și oxigen. Spectrul Ti2p din „MS” s-a deplasat la o energie de legare mai mică datorită formării TiH2. Probele de TiO x MS ar putea fi considerate în continuare produse de oxidare inițială, dar componentele profunde din proba NS s-au dovedit a fi singurele specii consistente (a se vedea și Figura Adițională S8c și S8d) care ar trebui să fie atomii de oxigen dizolvați originali în Ti metalic.

Din câte știm, titanul are o capacitate puternică de a dizolva hidrogenul și hidrogenul dizolvat interstițial poate fi transformat în hidruri de titan (Ti-H) 33 pe măsură ce concentrația de hidrogen crește. La rândul său, acest proces reduce rezistența Ti34. Prin urmare, hidrurile de titan din stratul de barieră ar fi eficiente în creșterea fragilității materialelor și accelerarea crăpăturii potențiale. Această speculație este în concordanță cu literatura anterioară 35 privind fragilitatea hidrogenului și cu datele noastre experimentale.

a) H + trece prin stratul de barieră, b) expansiunea bulelor de H2 și presiunea fluidului din soluția din tuburi sunt una împotriva celeilalte, c) echilibrul mecanic este rupt după evaporarea electrolitului și apar fisuri în nanomateriale la interfața stratului barieră/substrat Ti și crește rapid, d) stratul TNT se desprinde, e) analiza forței stratului barieră.

Imagine la dimensiune completă

Pe de altă parte, în așa-numita barieră Schottky formată din stratul de barieră TNT și substratul metalic 39, există goluri masive de oxigen (vezi Figura 3a, 3b și Figura Adițională S8). Prin urmare, hidrogenul care a pătruns în stratul de barieră poate reacționa în trei moduri: (i) legându-se cu o legătură O-pod (BBO) pentru a forma o punte -OH (BOH) 29 (a se vedea ecuația (2)); (ii) formarea hidrurilor de titan, de ex. TiH2; (iii) combinarea cu eliminatori de oxigen pentru a forma complexe de oxigen, care la rândul lor ar putea reduce energia de formare a spațiului liber, crescând astfel concentrația de spații libere de oxigen 40. Produsele acestor reacții posibile (cum ar fi BOH și oxigenii liberi) ar putea servi în continuare pentru a produce hidrogen gazos (H2) (a se vedea ecuația (3))). Această presupunere a fost susținută recent de Yang și colab. 29, care au descoperit că temperatura din ce în ce mai mare și existența unei anumite concentrații de situri libere de O (Vo) ar putea facilita formarea moleculelor de H2 la siturile BOH. Această condiție necesară pentru producerea H2 coincide cu starea interfeței oxid anodic/titan în timpul procesului de anodizare cauzat de conversia energiei electrice 41, 42 .

În general, este acceptat faptul că doar donarea de hidruri face dificilă realizarea unei fracturi naturale fragile în procesul HAC fără utilizarea forțelor externe. În plus, așa cum s-a menționat mai sus, având în vedere că moleculele de hidrogen s-ar putea forma la incluziunea fisurată sau la interfața matricei, putem presupune că blisterele de hidrogen 35 rezultate din presiunea înaltă ar putea duce la crăparea subcritică 33. .

Presupunerea noastră a fost că prin modificarea F1, F2 și F3 a fost posibil să se controleze comportamentul de dezizolare a stratului TNT de pe substrat. Pentru a îmbunătăți acest lucru, am introdus în mod inovator solvenți cu solubilitate ridicată a H2 pentru a trata probele de TNT proaspăt făcute pentru a reduce F2 prin îndepărtarea bulelor de H2 la interfața dintre stratul de TNT și substrat, reducând astfel tendința de decapare a TNT. Prin scufundarea probelor de TNT proaspăt produse într-un solvent organic, s-a menținut presiunea hidraulică (F1) generată din solvent, care ar putea menține un strat TNT stabil, dar, de asemenea, ar facilita eliberarea moleculei mici de H2 în solvent și ar putea câștiga timp pentru absorbția H2 de către Ti și TiO2. F2 este redus și coeziunea stratului TNT este menținută. Prin urmare, solvenții cu polarități diferite au fost testați în prezentul studiu; anterior, solubilitatea H2 avea o corelație negativă cu polaritatea solventului 45 .

Datele experimentale sunt perfect de acord cu ipoteza noastră, și anume că solvenții cu solubilitate H2 mai mare (cu polaritate mai mică) au dus la o forță de coeziune mai puternică a stratului de tub și invers. Posibila existență a canalelor permeabile în nanomaterial prin stratul barieră (confirmată de XPS) a fost probabil exploatată pentru „eliberarea dizolvată” a moleculelor de gaz H2 de către solventul organic. În plus, solvenții protici au fost afectați de micromediul acid, ceea ce le-a făcut solvenți puternic polari și care au avut probleme cu solvabilitatea H2. Astfel, s-a constatat că solventul aprotic a fost mult mai bun decât solventul protic pentru fixarea stratului de barieră.

concluzii

Pe scurt, studiul de față a propus un mod nou și simplu de a controla cu succes forța adezivă dintre stratul TNT și substratul Ti. S-a constatat că comportamentul de stripare al stratului TNT este controlabil prin tratarea ulterioară utilizând solvenți organici cu polarități diferite. S-a constatat că tratamentul ulterior cu un solvent organic cu polaritate mai mică ar putea, spre deosebire de separarea spontană a stratului TNT după tratamentul cu un solvent cu polaritate mai mare, să crească aderența stratului tubular. În plus, această metodă inovatoare și acest studiu mecanic nu numai că au extins aplicarea TNT în acoperirea titanului și a materialului fotoelectric, dar au oferit și o perspectivă de bază asupra mecanismului HAC în eliminarea TNT. Aceste abordări cu costuri reduse pot contribui la producția pe scară largă în viitor.

Informatii suplimentare

Fișiere PDF

Informatii suplimentare

Comentarii

Prin trimiterea unui comentariu, sunteți de acord să respectați Termenii și condițiile și Regulile comunității. Dacă găsiți ceva jignitor sau nu respectați termenii sau liniile directoare, marcați-l ca fiind nepotrivit.