نتایج درج شده در یک مقاله تحقیقاتی در مجله Materials Research Bulletin، روش جدیدی را برای سنتز لایه‌هایی از جنس نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم آزاد (FSL-TiO2NTs) با خواص فوتوالکترونیک عالی با ساختار کامل نشان می‌دهد.
روشی برای سنتز نانولوله‌هایی با خواص فتوالکترونیکی عالی
نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم از زمان معرفی خود به دلیل ویژگی‌های استثنایی مانند تحرک بار کارآمد، استحکام فیزیکی بالا، ساختارهای لوله‌ای نزدیک و منظم و سطح ویژه بزرگ مورد توجه قرار گرفته‌اند.
آندایزاسیون الکتروشیمیایی فویل تیتانیم، رایج‌ترین روش برای سنتز آرایه‌های نانولوله‌ای TiO2 است زیرا فرآیندی ساده، تکرارپذیر و قابل کنترل است. با این حال، عوامل متعددی مانند آرایش الکترودها، الکترولیت‌ها و تعداد مراحل آنودیزاسیون می‌توانند بر فرآیند تأثیر بگذارند. این عوامل قبلا برای به دست آوردن معماری‌ها و مورفولوژی‌های مختلف آرایه‌های نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم بررسی شده بودند.
اگرچه ساختار لوله‌ای آرایه‌های نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم را می‌توان از طریق تغییرات در فرآیندهای آندایزاسیون افزایش داد، چنین تغییراتی می‌تواند با کاهش رسانایی الکتریکی، مانع از تحرک الکترون و ایجاد نرخ جداسازی بار، بر خواص الکتروشیمیایی آنها تأثیر منفی بگذارد.
علاوه بر این، آرایه‌های نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم به‌دست‌آمده از فرآیندهای آنودیزاسیون مختلف، دارای ته‌های بسته هستند و اغلب به زیرلایه Ti زیرین (TiO2NTs/Tisub) متصل می‌شوند. وجود چنین لایه‌ای منجر به معایب خاصی مانند تبدیل ضعیف نور به جریان می‌شود که می‌تواند کاربردهای نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم را محدود کند.
جدا شدن آرایه‌های نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم از Tisub برای به دست آوردن FSL-TiO2NT ها می‌تواند به غلبه بر این معایب کمک کند. مطالعات قبلی نشان داد که فعالیت فوتوکاتالیستی FSL-TiO2NTs به طور قابل توجهی بالاتر از TiO2NTs/Tisub است. علاوه بر این، FSL-TiO2NT ها در مقایسه با TiO2NTs/Tisub، نرخ انتقال الکترون و پایداری حرارتی چهار برابر بهتری را نشان داده است.
FSL-TiO2NT ها اغلب از طریق انحلال شیمیایی، اعمال ولتاژ، فراصوت و تبخیر متانول جدا می‌شوند. با این حال، این رویکردها می‌تواند منجر به تشکیل ساختارهای ناقص، ترک و پیچ خوردگی شود.
پراکسید هیدروژن (H2O2)، یک عامل سازگار با محیط زیست، می‌تواند برای جدا کردن نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم استفاده شود، زیرا TiO2 را حل می‌کند و کمپلکس تشکیل می‌دهد. با این حال، فرآیند جداسازی عموماً به زمان طولانی آندایزاسیون برای FSL-TiO2NT های ضخیم نیاز دارد. علاوه بر این، ساخت FSL-TiO2NTهای نازک و مسطح با ساختارهای کامل و سطح بزرگ تاکنون بسیار چالش برانگیز بوده است.
به منظور ساخت FSL-TiO2NT با نقص کمتر و استحکام بالا، پایداری فیزیکوشیمیایی نانولوله‌ها باید از طریق آندایزاسیون معمولی افزایش یابد، که می‌توان آن را با استفاده از فرآیند کلسینه کردن و یک الکترولیت، همراه با فرآیند جداسازی مناسب به دست آورد.
در این مطالعه، محققان یک روش سازگار با محیط زیست و ساده را برای سنتز FSL-TiO2NT های کامل، قوی، نازک و شفاف با مورفولوژی بسیار منظم ارائه دادند. علاوه بر این، روش‌های مورد استفاده برای رشد نانولوله‌ها با استفاده از الکترولیت و جدا کردن FSL-TiO2NT از Tisub نیز مورد ارزیابی قرار گرفته است.
TiO2NTs/Tisub از طریق یک فرآیند دو مرحله‌ای توسط آنودایز الکتروشیمیایی در دمای اتاق با استفاده از منبع تغذیه DC سنتز شد. مرحله اول آندایزاسیون با ولتاژ ۶۰ ولت به مدت ۲ ساعت در یک الکترولیت حاوی ۳ درصد آب و ۰٫۵ درصد وزنی فلوراید آمونیوم (NH4F) در اتیلن گلیکول انجام شد. یک فویل تیتانیم به ابعاد یک در سه سانتی‌متر به عنوان آند مورد استفاده قرار گرفت و بخشی از فویل در الکترولیت غوطه‌ور شد. یک صفحه پلاتین (Pt) با همان ابعاد فویل تیتانیم به عنوان کاتد استفاده شد.
TiO2NTs/Tisub حاصل که پس از آنودیزاسیون اول به دست آمد، در آب فراصوت شد تا آرایه‌های نامنظم نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم از بین برود و فویل تیتانیم با سطح مقعر به دست آید.
TiO2NTs/Tisub سنتز شده در الکترولیت‌ها به مدت ۱۲، ۸، ۴ و ۰ ساعت قرار گرفت. نمونه‌های نهایی TiO2NTs/Tisub در دمای ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد به مدت دو ساعت در هوا کلسینه شدند تا بلورینگی آنها بهبود یابد. سپس TiO2NTs/Tisub کلسینه شده تحت مرحله سوم آندایزاسیون به روشی مشابه با اولین مرحله قرار گرفت. پس از آن، لایه حاوی نانولوله به تدریج با انجام یک روش انحلال شیمیایی به مدت ۳۰ دقیقه جدا شد.
