Skip to main content
SUPERVISOR
Kaivan Raissi,Fakhreddin Ashrafizadeh
کيوان رئيسي (استاد مشاور) سيدفخرالدين اشرفي زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Seyed Shahab Miraghaei
سيدشهاب ميرآقائي

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.
چکيده در پژوهش حاضر، نانولوله هاي اکسيد تيتانيم آندي توسط آندايزينگ در محلول هاي آلي و آبي ايجاد شدند و مشخصه يابي آن ها از ديدگاه مورفولوژي، هندسه، ترکيب شيميايي و خواص الکتروشيميايي و فتوالکتروشيميايي انجام گرفت. بررسي هاي انجام شده روي نانولوله هاي اکسيد تيتانيم آندايزشده در محلول هاي اتيلن گليکول نشان داد که به دليل حضور يون هاي فلورايد در الکتروليت، فصل مشترک ناپايداري بين تيتانيم زيرلايه و نانولوله هاي اکسيد تيتانيم ايجاد مي شود. بر اساس يافته هاي اين تحقيق، نشان داده شد که ناپايداري فصل مشترک تيتانيم/ نانولوله ها در محلول هاي آبي دليل اتصال ضعيف نانولوله ها به زيرلايه و ايجاد يک لايه سدکننده اکسيد تيتانيم تحت پتانسيل هاي آندي است. لايه سدکننده جديد مجموعه خواص الکتروشيميايي و فتوالکتروشيميايي نانولوله هاي اکسيد تيتانيم، پيش از آنيل، را کنترل مي کند. بر اساس ارزيابي هاي انجام شده توسط تکنيک هاي طيف سنجي فتوجريان، ظرفيت خازني تفاضلي و ميکروسکوپ الکتروني، مدل هايي براي توضيح نحوه ايجاد فتوجريان و منشا ظرفيت خازني نانولوله هاي اکسيد تيتانيم پس از آنيل ارائه شد. پاسخ به نور نانولوله هاي اکسيد تيتانيم متاثر از ابعاد و هندسه نانولوله ها بوده و فتوجريان ايجاد شده مستقل از پتانسيل الکترود و حاصل نفوذ الکترون ها در امتداد نانولوله ها است. ظرفيت خازني در محدوده پتانسيل هاي آندي توسط منطقه بار پيراموني در مجاورت زيرلايه و در محدوده کاتدي توسط ظرفيت خازني لايه مضاعف در امتداد ديواره ها ايجاد مي شود و توسعه ظرفيت خازني لايه مضاعف روي سطح کل نانولوله ها به رفتاري ابرخازني مي انجامد. براي توسعه پاسخ به نور اکسيد تيتانيم به محدوده مرئي، نيتروژن توسط آندايزينگ در حضور يون آمونيوم به ساختار لايه هاي سدکننده و نانولوله هاي اکسيد تيتانيم وارد شد. نتايج طيف سنجي فتوجريان نشان داد که تلقيح نيتروژن به اين روش منجر به افزايش پاسخ به نور مرئي اکسيد تيتانيم مي شود. بررسي هاي انجام شده روي نانولوله هاي اکسيد تيتانيم ايجاد شده در حضور يون آمونيوم نشان داد که مکانيزم هاي ايجاد فتوجريان در نانولوله ها با عملکرد تلقيح آنيوني در ايجاد پاسخ به نور مرئي تطابق ندارد و لذا پاسخ به نور مرئي نانولوله هاي اکسيد تيتانيم تلقيح شده نسبت به لايه هاي سدکننده تلقيح شده ضعيف است. کلمات کليدي: نانولوله ، اکسيد تيتانيم، فتوالکتروشيمي، بازآندايزينگ، فتوجريان، چسبندگي، تلقيح، نيتروژن.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی