системами

  • предметів
  • реферат
  • вступ
  • експериментальний розділ
  • Результати і обговорення
  • висновки
  • Додаткова інформація
  • Файли PDF
  • Додаткова інформація
  • Коментарі

предметів

  • Механічні властивості
  • Структурні властивості

реферат

Поганий контроль адгезії шарів нанотрубок TiO 2 (TNT) до підкладки без анодованого титану (Ti) обмежив їх широке використання, оскільки механізм видалення ще не розкритий. Тут ми представляємо новий спосіб контролю поділу тротилу шляхом подальшої обробки зразків, оброблених у протонні та апротонні розчинники з різною полярністю. Після обробки органічним розчинником з меншою полярністю збільшується адгезія трубчастого шару, на відміну від мимовільного поділу шару тротилу після обробки розчинником з більш високою полярністю. Були вивчені структуру та склад розділу розриву для вивчення механізму поведінки видалення. На основі наших експериментальних результатів та попередніх досліджень запропоновано механізм водневого крекінгу (ВАС) для пояснення механізму природного поділу тротилу та контролю поведінки здирання тротилу шляхом подальшої модифікації, при якій наявність протонів на межі розділу між шаром тротилу і Ti підкладка відіграє важливу роль у контролі когерентності двох шарів. Коротше кажучи, цей метод та механізм обіцяють використовувати в майбутньому як інструмент для проектування та виробництва матеріалів, пов'язаних з тротилом.

Нанотрубки TiO 2 (TNT), приготовані в процесі анодування, останнім часом викликають великий інтерес завдяки своїм перспективним застосуванням у галузі фотокаталізу 1, зберігання водню 2, очищення води 3, біомедичних матеріалів 4, адаптованої змочуваності 5 тощо. Тротили з різною морфологією, такі як двошаровий та бамбуковий тротил 6, отримували шляхом регулювання параметрів приготування. Мор та співавт. 7 було створено незалежне без субстрату поле тротилу шляхом розпилення надтонкого Ti на скляний анод, покритий оксидом олова оксидом олова, що забезпечило більше можливостей для дослідження тротилу в сонячних елементах. На відміну від багатьох інших застосувань, таких як покриття титанових імплантатів для біомедичного використання, стабільні шари тротилу з сильною когезією з підкладками Ti були переважними через необхідну біосумісність та здатність до доставки ліків шару тротилу 8. Однак трубчасту структуру можна було видалити спонтанно відразу після закінчення анодування, коли внутрішньотрубочковий електроліт випарувався, що абсолютно перешкодило його широкому застосуванню.

Повнорозмірне зображення

експериментальний розділ

Нанотрубки TiO 2, які були зібрані окремо, виготовляли анодуванням 60 В з постійним струмом (постійним струмом) із використанням звичайної системи етиленгліколь/NH 4 F, що містить 3 об.% H 2 O, 0,5 об.% H 3 PO 4 та 0,3 мас.% NH4F як електроліт. Час анодування було встановлено на 5 годин. Вісім чистих органічних розчинників з різною полярністю були використані для подальшої обробки свіжовироблених полів нанотрубок TiO 2. Зразки занурювали на 15 хвилин, після чого зусилля зчеплення між шаром нанотрубок TiO 2 (ТНТ) і Ti-підкладкою характеризували за допомогою тесту Revetest Scratch. Аналіз профілю глибини SEM, AFM та XPS був використаний для характеристики мікроструктури та складу різних поверхонь зразків тротилу природним та механічним способом.

Тести на подряпини спини. Оброблені зразки тротилу сушили при кімнатній температурі. Зразки встановлювали на Revetest Scratch Tester (HH-3000), а потім зусилля навантажували від 0 до 100 N. Під час виявлення голка тестера подряпилася в області довжиною 5 мм, збільшуючи силу навантаження з 0 до 100 N зі швидкістю 20 Н/мм. Коли кінчик голки розрізав на підкладці крихку тонку плівку, приймався звуковий сигнал, і піки одночасно з'являлися на графіках. Беручи до уваги перший пік акустичного сигналу в якості стандарту, він може представляти силу зчеплення між тротилом і основою.

Аналіз профілю глибини XPS. Наднотрубний шар нанотрубок з анодованих зразків видаляли, а решту субстрату промивали деіонізованою водою. Зразки сканували, а спектральні дані збирали після кожного травлення (розпиленням Ar + протягом 2 хвилин), повторювали загалом сім разів. Аналіз був використаний для аналізу дрібних змін композицій між бар'єрним шаром.

Результати і обговорення

Титанові пластини розміром 15 мм х 20 мм х 4 мм, ступінь чистоти 2, були анодовані за певних умов і успішно зібрані чисті масиви тротилу були успішно зібрані. Однак звичайний електроліт EG/NH4F може спричинити утворення тріщини та неправильної поверхні "нанотрави" 15, тоді як TNT з гладким видом зверху успішно виробляються 16, 17. Далі, Schmuki et al. 18 зазначено, що вміст Н20 може вплинути на зовнішній вигляд "нанотрави". Тут ми використовували модифіковану композицію з додаванням H 3 PO 4 для очищення верхньої поверхні тротилу. Збільшення кислотності електроліту може витравити поверхневий шар поверх пробірок і таким чином надати кращий вигляд.

а) Середнє значення сили навантаження, що застосовується в трьох паралельних тестах на подряпини, що проводяться для кожного зразка. Вісім органічних розчинників, апротонних або античних (полярність від 0,01 до 7,2), використовували для подальшої обробки свіжовироблених тротилів, а зразки промивали водою як контроль. (b) Принципова схема для природних розділювальних та механічно ізольованих інтерфейсів. в) AFM фотографії обличчя НС та обличчя РС.

Повнорозмірне зображення

Розпилення Ar + травило кожен зразок сім разів протягом 2 хвилин одночасно (швидкість розпилення приблизно 5 нм/хв 32).

Повнорозмірне зображення

Щодо інтерфейсу NS (рис. 3c та 3d), профілі після перших 4 хвилин травлення вказували, що Ti була основною фазою, про що свідчить нормований пік Ti0 (Ti2p3/2 = 454, 1 еВ, Ti 2p1/2 = 460, 1 еВ) 30 з невеликою кількістю О, які належать до атомів кисню в решітці та органічних розчинниках (Os = 531, 3 еВ-531, 6 еВ, 533, 7 еВ). Це пов’язано з обробкою метиловим спиртом, що призвело до спонтанного розпаду анодованого шару TiO 2 від підкладки Ti, при цьому поверхня NS залишається головним чином Ti. Дивно, але пік O1s при 533,7 еВ відповідає -CH 2 -OH 31, що обумовлено складом електроліту (EG), який використовується для анодування тротилу. Це яскраво продемонструвало існування проникних каналів наночастинок через бар'єрний шар для проникнення молекул електроліту або деяких інших дрібномолекулярних речовин. Підсумовуючи, ці результати дозволяють припустити, що матеріал, що залишився, можна вважати чистим титаном після НС.

Порівнюючи композиційний аналіз інтерфейсу XPS MS та NS, ми виявили схожість у фазах Ti (Ti 2p3/2 = 454, 1 еВ, Ti 2p1/2 = 460, 1 еВ), TiOx (див. Додатковий малюнок S8), BBO і BOH (01 с, 531, 9 еВ). Однак відмінності між двома контрастними зразками можна узагальнити як: i) основні піки Ti2p та ii) зв'язок атомів титану та кисню. Спектр Ti2p в 'MS' змістився до нижчої енергії зв'язку через утворення TiH2. Зразки TiO x MS все ще можна розглядати як продукти початкового окислення, але глибокі компоненти у зразку NS виявились єдиним послідовним видом (див. Також Додаткові малюнки S8c та S8d), які повинні бути вихідними атомами розчиненого кисню в металевому Ti.

Наскільки нам відомо, титан має сильну здатність розчиняти водень, і інтерстиціально розчинений водень може перетворюватися на гідриди титану (Ti-H) 33 із збільшенням концентрації водню. Цей процес, у свою чергу, знижує в'язкість Ti34. Отже, гідриди титану в бар’єрному шарі можуть бути ефективними для збільшення крихкості матеріалів та прискорення потенційного розтріскування. Це припущення узгоджується з попередньою літературою 35 про крихкість водню та нашими експериментальними даними.

а) Н + проходить через бар'єрний шар, б) розширення бульбашок Н2 і тиск рідини в розчині в пробірках перебувають один проти одного, в) механічна рівновага порушується після випаровування електроліту і в наноматеріалах з'являються тріщини г) бар'єрний шар/підкладка Ti розділяється і швидко збільшується, d) шар TNT відшаровується, e) аналіз сили бар'єрного шару.

Повнорозмірне зображення

З іншого боку, у так званому бар’єрі Шотткі, утвореному бар’єрним шаром тротилу та металевою підкладкою 39, є масивні кисневі порожнечі (див. Малюнки 3a, 3b та додаткову рисунок S8). Отже, водень, який проник через бар’єрний шар, може реагувати трьома способами: (i) зв’язуючись з O-мостовим зв’язком (BBO), утворюючи місток -OH (BOH) 29 (див. Рівняння (2)); (ii) утворення гідридів титану, напр. TiH2; (iii) поєднання з поглиначами кисню з утворенням кисневих комплексів, які в свою чергу можуть зменшити енергію утворення вільного простору, тим самим збільшуючи концентрацію вільних просторових просторів 40. Продукти цих можливих реакцій (такі як BOH та вільний кисень) можуть надалі служити для отримання газоподібного водню (H2) (див. Рівняння (3))). Це припущення нещодавно підтримали Ян та співавт. 29, який виявив, що постійно зростаюча температура та існування певної концентрації вільних від O місць (Vo) можуть сприяти утворенню молекул H2 на сайтах BOH. Ця необхідна умова отримання Н2 збігається із станом межі розділу анодного оксиду/титану під час процесу анодування, викликаного перетворенням електричної енергії 41, 42 .

Загальновизнано, що донорство гідридів одне ускладнює досягнення природного крихкого руйнування в процесі ВАС без використання зовнішніх сил. Крім того, як зазначалося вище, враховуючи те, що молекули водню можуть утворюватися на тріщиноподібному включенні або матриці, ми можемо припустити, що водневі пухирі 35, що виникають внаслідок високого тиску, можуть призвести до субкритичного розтріскування 33. .

Наше припущення полягало в тому, що модифікуючи F1, F2 та F3, можна було контролювати поведінку видалення шару тротилу з підкладки. Щоб покращити це, ми інноваційно ввели розчинники високої розчинності H2 для обробки свіжоприготованих зразків тротилу для зменшення F2 шляхом видалення бульбашок H2 на межі між шаром тротилу та підкладкою, тим самим зменшуючи тенденцію до видалення тротилу. Занурюючи свіжовироблені зразки тротилу в органічний розчинник, підтримувався гідравлічний тиск (F1), що генерується з розчинника, який міг підтримувати стабільний шар тротилу, але також сприяв вивільненню невеликої молекули H2 у розчинник і купував час для поглинання H2 Ti і TiO2. F2 знижується, а когезія шару тротилу підтримується. Тому в цьому дослідженні були випробувані розчинники з різною полярністю; раніше виявлено, що розчинність H2 має негативну кореляцію з полярністю розчинника 45 .

Експериментальні дані цілком погоджуються з нашою гіпотезою, а саме, що розчинники з більшою розчинністю у Н2 (з меншою полярністю) призвели до сильнішої когезійної сили шару трубки і навпаки. Можливе існування проникних каналів у наноматеріалі через бар'єрний шар (підтверджене XPS), ймовірно, використовувалося для "розчиненого вивільнення" молекул газу H2 органічним розчинником. Крім того, на протонні розчинники впливав кислий мікросередовище, що робило їх сильно полярними розчинниками і які мали проблеми з сольватацією Н2. Таким чином, було встановлено, що апротонний розчинник набагато кращий за протоний розчинник для фіксації бар’єрного шару.

висновки

Коротко, у цьому дослідженні запропоновано новий і простий спосіб успішного контролю сили зчеплення між шаром тротилу та підкладкою Ti. Було виявлено, що поведінка видалення шару тротилу контролюється шляхом подальшої обробки з використанням органічних розчинників з різною полярністю. Було встановлено, що подальша обробка органічним розчинником з меншою полярністю може, на відміну від спонтанного поділу шару тротилу після обробки розчинником з більш високою полярністю, збільшити адгезію трубчастого шару. Крім того, цей інноваційний метод та механічне дослідження не тільки розширили застосування тротилу в покритті титану та фотоелектричного матеріалу, але також дали основне уявлення про механізм HAC при видаленні тротилу. Ці недорогі підходи можуть сприяти великому виробництву в майбутньому.

Додаткова інформація

Файли PDF

Додаткова інформація

Коментарі

Надсилаючи коментар, ви погоджуєтесь дотримуватись наших Умов надання послуг та Правил спільноти. Якщо ви вважаєте щось образливим або не відповідаєте нашим умовам чи інструкціям, позначте це як невідповідне.