Skip to main content
SUPERVISOR
Kaivan Raissi,Fakhreddin Ashrafizadeh
کیوان رئیسی (استاد مشاور) سیدفخرالدین اشرفی زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Seyed Shahab Miraghaei
سیدشهاب میرآقائی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1385

TITLE

Characterization of Electrochemical and Photo-electrochemical Properties of Anodic Titanium Oxide Nanotubes
The present report describes the main results and achievements regarding the electrochemical and photoelectrochemical investigation of as-formed and annealed TiO 2 nanotubes (TNTs). Titanium oxide nanotubes were prepared by anodic oxidation of titanium within fluoride containing ethylene glycol and potassium sulfate solutions. Using an electrochemical approach, it has been shown that as-formed nanotubes are not stable on the substrate due to the dissolution of fluoride rich layer between and beneath them resulting in formation of a new barrier layer between TNTs and metal substrate by re-anodization in aqueous solutions. This new anodic barrier layer, which forms inevitably by any anodic polarization of the unstable interface of titanium/ nanotubes, plays an important role in controlling the physicochemical behavior of the whole system. Weak photoresponse of TNTs before annealing which has been considered to be a result of amorphous structure of tube walls now can also be related to the lack of electrical and mechanical contact between nanotubes and the substrate. Annealing nanotubes in air transforms amorphous TiO 2 to crystalline polymorphs and forms a new oxide layer on the surface of titanium which noticeably changes the electrochemical and photo-electrochemical behavior of TNTs. Sintering of nanotubes bottom to the underlying oxide layer, formed during annealing, has found to be very important since a good electrical connection is necessary for charge carriers passage into the metal substrate. Crystalline structure of tube walls causes different formation, separation and traortation of charges in contrast to the as-formed nanotubes which is mainly diffusion controlled and is independent of electrode potential. Capacitance behavior of annealed nanotubes was explained using a qualitative model showing two kinds of behavior in the anodic and cathodic potential regions. In the anodic region capacitance of TNTs is mainly controlled by the capacitance of semiconductor space charge layer adjacent to the underlying substrate but in the cathode region capacitance is controlled by chemical capacitance of double layer along the internal surface area of nanotubes. In the cathodic region nanotubes behave as a super capacitor showing several order of magnitude higher values of capacitance. Nitrogen was successfully incorporated into the titania barrier layer structure during anodization of titanium in ammonium containing solutions. It has been shown that nitrogen incorporation is responsible for the increase of the visible light photoresponse of barrier layers due to the formation of electronic localized states within the energy gap of TiO 2 above the valence band edge. In spite of some weak visible photoresponse from TNTs formed in ammonium containing electrolytes and after annealing, it seems that the mechanism of charge separation, traort and collection for photocurrent generation within TNTs and nitrogen incorporated titania barrier layers are not coincide. According to the electronic band structure of doped titanium oxide and the model presented for photocurrent generation in TNTs it has been explained that doping if TNTs is not a powerful mean for extending their photoresponse to the visible region. Keywords : TiO 2 nanotubes, (Photo-) electrochemical, Annealing, Photocurrent, Adhesion, Re-anodization, Doping, Nitrogen.
در پژوهش حاضر، نانولوله های اکسید تیتانیم آندی توسط آندایزینگ در محلول های آلی و آبی ایجاد شدند و مشخصه یابی آن ها از دیدگاه مورفولوژی، هندسه، ترکیب شیمیایی و خواص الکتروشیمیایی و فتوالکتروشیمیایی انجام گرفت. بررسی های انجام شده روی نانولوله های اکسید تیتانیم آندایزشده در محلول های اتیلن گلیکول نشان داد که به دلیل حضور یون های فلوراید در الکترولیت، فصل مشترک ناپایداری بین تیتانیم زیرلایه و نانولوله های اکسید تیتانیم ایجاد می شود. بر اساس یافته های این تحقیق، نشان داده شد که ناپایداری فصل مشترک تیتانیم/ نانولوله ها در محلول های آبی دلیل اتصال ضعیف نانولوله ها به زیرلایه و ایجاد یک لایه سدکننده اکسید تیتانیم تحت پتانسیل های آندی است. لایه سدکننده جدید مجموعه خواص الکتروشیمیایی و فتوالکتروشیمیایی نانولوله های اکسید تیتانیم، پیش از آنیل، را کنترل می کند. بر اساس ارزیابی های انجام شده توسط تکنیک های طیف سنجی فتوجریان، ظرفیت خازنی تفاضلی و میکروسکوپ الکترونی، مدل هایی برای توضیح نحوه ایجاد فتوجریان و منشا ظرفیت خازنی نانولوله های اکسید تیتانیم پس از آنیل ارائه شد. پاسخ به نور نانولوله های اکسید تیتانیم متاثر از ابعاد و هندسه نانولوله ها بوده و فتوجریان ایجاد شده مستقل از پتانسیل الکترود و حاصل نفوذ الکترون ها در امتداد نانولوله ها است. ظرفیت خازنی در محدوده پتانسیل های آندی توسط منطقه بار پیرامونی در مجاورت زیرلایه و در محدوده کاتدی توسط ظرفیت خازنی لایه مضاعف در امتداد دیواره ها ایجاد می شود و توسعه ظرفیت خازنی لایه مضاعف روی سطح کل نانولوله ها به رفتاری ابرخازنی می انجامد. برای توسعه پاسخ به نور اکسید تیتانیم به محدوده مرئی، نیتروژن توسط آندایزینگ در حضور یون آمونیوم به ساختار لایه های سدکننده و نانولوله های اکسید تیتانیم وارد شد. نتایج طیف سنجی فتوجریان نشان داد که تلقیح نیتروژن به این روش منجر به افزایش پاسخ به نور مرئی اکسید تیتانیم می شود. بررسی های انجام شده روی نانولوله های اکسید تیتانیم ایجاد شده در حضور یون آمونیوم نشان داد که مکانیزم های ایجاد فتوجریان در نانولوله ها با عملکرد تلقیح آنیونی در ایجاد پاسخ به نور مرئی تطابق ندارد و لذا پاسخ به نور مرئی نانولوله های اکسید تیتانیم تلقیح شده نسبت به لایه های سدکننده تلقیح شده ضعیف است. کلمات کلیدی: نانولوله ، اکسید تیتانیم، فتوالکتروشیمی، بازآندایزینگ، فتوجریان، چسبندگی، تلقیح، نیتروژن.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی