Анодно-оксидные покрытия с иерархической микронаноструктурой на спеченных порошках титана
Аннотация
Нанотрубки TiO2, полученные электрохимическим анодированием Ti (титановой фольги), как правило, рентгеноаморфны. Для улучшения функциональных свойств их обычно преобразуют в кристаллические отжигом при Т ≈ 400–500 °С. Кроме того, при определенных условиях анодирования во фторсодержащих электролитах на титановой фольге могут быть сформированы оксидные пленки с иерархической микронаноструктурой, в состав которых входят наноструктурированные микроконусы с атомной структурой, соответствующей анатазу (a-TiO2). Представляет интерес установление возможности формирования анодных оксидных покрытий с иерархической микронаноструктурой на поверхности спеченных порошков губчатого титана, что должно привести к заметному
увеличению удельной поверхности и расширению спектра применений. Целью статьи является изучение процесса анодирования пористых образцов из спеченных порошков губчатого титана в водном электролите 1 М Н2SO4 + 0.15 мас.% HF.
Объектами исследования являлись спеченные порошки титана в виде образцов пористых порошковых материалов с удельной поверхностью Sуд = 1350 см2/г. Анодирование проводилось в электролите 1 М Н2SO4 + 0.15 мас.% HF при различных значениях плотности тока (jm). Морфология поверхности до и после анодирования изучалась методами сканирующей электронной микроскопии и атомной силовой микроскопии. Для исследования фазового состава применялся метод дифракции рентгеновских лучей.
Было изучено влияние условий гальваностатического анодирования образцов пористых порошковых материалов из губчатого титана на рост, морфологию и атомную структуру анодных оксидных покрытий. Впервые показано, что анодирование при больших значениях плотности тока jm = (230÷1890) мА/г вызывает появление наноструктурированных микроконусов a-TiO2 (с диаметрами оснований и высотой до 4 мкм) в аморфной нанопористой/нанотрубчатой оксидной матрице (с эффективным диаметром пор/трубок порядка 50 нм). Такие покрытия, обладающие высокой удельной поверхностью и иерархической микронаноструктурой, перспективны для применения в дизайне устройств фотокаталитической очистки окружающей среды и для получения супергидрофобных поверхностей.
Скачивания
Литература
Riboni F., Nguyen N. T., So S., Schmuki P. Aligned metal oxide nanotube arrays: key-aspects of anodic TiO2 nanotube formation and properties. Nanoscale Horizons. 2016;1: 445–466. https://doi.org/10.1039/C6NH00054A
Yakovleva N. M., Kokatev A. N., Chupakhina E. A., Stepanova K. V., Yakovlev A. N., Vasil’ev S.G., Shul’ga A. M. Surface nanostructuring of metals and alloys. Part 2. Nanostructured anodic oxide films on Ti and Ti alloys. Condensed Matter and Interphases. 2016;18(1): 6–27. (In Russ., abstract in Eng.). Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=25946608
Lee K., Mazare A., Schmuki P. One-dimensional titanium dioxide nanomaterials: nanotubes. Chemical Reviews. 2014;114(1): 9385−9454. https://doi.org/10.1021/cr500061m
Macak J. M., Tsuchiya H., Ghicov A., Yasuda K., Hahn R., Bauer S., Schmuki P. TiO2 nanotubes: selforganized electrochemical formation, properties and applications. Current Opinion in Solid State and Materials Science. 2007;11: 3–18. https://doi.org/10.1016/j.cossms.2007.08.004
Kulkarni M. , Mazare A. , Gongadze E. , Perutkova Š., Kralj-Iglic V., Milošev I., Schmuki P., Iglic А., Mozetic М. Titanium nanostructures for biomedical applications. Nanotechnology. 2015;26: 1−18. https://doi.org/10.1088/0957-4484/26/6/062002
Kowalski D., Kim D., Schmuki P. TiO2 nanotubes, nanochannels and mesosponge: Self-organized formation and applications. Nano Today. 2013;8(3): 235—264 https://doi.org/10.1016/j.nantod.2013.04.010
Kokatev A. N., Stepanova K. V., Yakovleva N. M., Tolstik V. E., Shelukhina A. I., Shulga A. M. Selforganization of a bioactive nanostructured oxide layer at the surface of sintered titanium sponge powder subjected to electrochemical anodization. Technical Physics. 2018;63(9): 1334–1340. https://doi.org/10.1134/S1063784218090062
Yoriya S., Mor G. K., Sharma S., Grimes C. A. Synthesis of ordered arrays of discrete, partially crystalline titania nanotubes by Ti anodization using diethylene glycol electrolytes. Journal of Materials Chemistry. 2008;18(28): 3332–3336. https://doi.org/10.1039/B802463D
Xiao X. F., Ouyang K. G., Liu R. F, Liang J. H. Anatase type titania nanotube arrays direct fabricated by anodization without annealing. Applied Surface Science. 2008;255(6): 3659–3663. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.10.014
Allam N. K., Grimes C. A. Room temperature one-step polyol synthesis of anatase TiO2 nanotube arrays: photoelectrochemical properties. Langmuir. 2009;25(13): 7234–7240. https://doi.org/10.1021/la9012747
Liao Y., Wang X., Ma Y., Li J., Wen T., Jia L., Zhong Z., Wang L., Zhang D. New mechanistic insight of low temperature crystallization of anodic TiO2 nanotube array in water. Crystal Growth & Design. 2016;16(4): 1786–1791. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.5b01234
Lamberti A., Chiodoni A., Shahzad N., Bianco S., Quaglio M., Pirri C. F. Ultrafast room-temperature crystallization of TiO2 nanotubes exploiting watervapor treatment. Scientific Reports. 2015;5(1): 7808–7013. https://doi.org/10.1038/srep07808
Wang X., Zhang D., Xiang Q., Zhong Z., Liao Y. Review of water-assisted crystallization for TiO2 nanotubes. Nano-Micro Letters. 2018;10(4): 77–105. https://doi.org/10.1007/s40820-018-0230-4
Wang C., Wang M., Xie K., Wu Q., Sun L., Lin Z., Lin C. Room temperature one-step synthesis of microarrays of N-doped flower-like anatase TiO2 composed of well-defined multilayer nanoflakes by Ti anodization. Nanotechnology. 2011;22(30): 305607. https://doi.org/10.1088/0957-4484/22/30/305607
Huang J., Lai Y., Wang L., Li S., Ge M., Zhang K., Fuchs H., Chi L. Controllable wettability and adhesion on bioinspired multifunctional TiO2 nanostructure surfaces for liquid manipulation. Journal of Materials Chemistry A. 2014;2(43): 8531–18538. https://doi.org/10.1039/C4TA04090B
Li S., Li Y., Wang J., Nan Y., Ma B., Liu Z., Gu J. Fabrication of pinecone-like structure superhydrophobic surface on titanium substrate and its self-cleaning property. Chemical Engineering Journal. 2016;290: 82–90. https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.01.014
Rhee O., Lee G., Choi J. Highly ordered TiO2 microcones with high rate performance for enhanced lithium-ion storage. ACS Applied Materials & Interfaces. 2016;8(23): 14558–14563. https://doi.org/10.1021/acsami.6b03099
Park J., Lee G., Choi J. Key anodization factors for determining the formation of TiO2 microcones vs nanotubes. Journal of The Electrochemical Society. 2017; 164(9): D640–D644. https://doi.org/10.1149/2.1601709jes
Park J., Choi J. Formation of well dispersed TiO2 microcones; the 20% surface occupation. Applied Surface Science. 2018;448: 212–218. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.04.033
Park J., Kim S., Lee G., Choi J. RGO-coated TiO2 microcones for high-rate lithium-ion batteries. ACS Omega.
;3(8): 10205−10210. https://doi.org/10.1021/acsomega.8b00926
Xing J., Xia Z., Hu J., Zhang Y., Zhong L. Time dependence of growth and crystallization of anodic titanium oxide films in potentiostatic mode. Corrosion Science. 2013;75: 212–219. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2013.06.004
Xing J., Li H., Xia Z., Hu J., Zhang Y., Zhong L. Formation and crystallization of anodic oxide films on sputter-deposited titanium in potentiostatic and potential-sweep modes. Journal of The Electrochemical Society. 2013;160(10): C503–C510. https://doi.org/10.1149/2.066310jes
Xing, J.-H. Xia Z.-B., Hu J.-F., Zhang Y.-H., Zhong L. Growth and crystallization of titanium oxide films at different anodization modes. Journal of The Electrochemical Society. 2013;160(6): 239–246. https://doi.org/10.1149/2.070306jes
Palma D. P. da S., Nakazato R. Z., Codaro E. N., Acciari H. A. Morphological and structural variations in anodic films grown on polished and electropolished titanium substrates. Materials Research. 2019;22: 1–98. https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2019-0362
Zhang L., Duan Y., Gao R., Yang J., Wei K., Tang D., Fu T. The effect of potential on surface characteristic and corrosion resistance of anodic oxide film formed on commercial pure titanium at the potentiodynamic-aging mode. Materials. 2019;12(3): 370. https://doi.org/10.3390/ma12030370
Yoo H., Lee G., Choi J. Binder-free SnO2–TiO2 composite anode with high durability for lithium-ion batteries. RSC Advances. 2019;9: 6589–6595. https://doi.org/10.1039/C8RA10358E
Kim Y.-T., Youk J. H., Choi J. Inverse-direction growth of TiO2 microcones by subsequent anodization in HClO4 for increased performance of lithium-ion batteries. ChemElectroChem. 2020;7(5): 1057–1285. https://doi.org/10.1002/celc.202000114
Savich V. V, Bobrovskaya A. I., Taraikovich A. M., Bedenko S. A. Micro- and nanostructures surface foam particles of titanium powder and its influence on properties of porous materials from them. Nanotechnologies of functional materials (NFM – 2012): proceeding of the international scientific and technical conference, 27–29 June 2012. St. Petersburg: Polytechnic University Publ.; 2012. p. 523–529. (in Russ., abstract in Eng.)
Savich V. V. Metods of porous structure regulation of sintered materials from spongy powders of titanium. Poroshkovaya metallurgiya. 2016; 70–76. (in Russ., abstract in Eng.). Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=37590838
Shelukhina A. I., Stepanova K. V., Kokatev A. N., Tolstik V. E. Surface modification of porous materials made of sponge titanium powder by means of anodic oxidation. Poroshkovaya metallurgiya. 2015;38: 180–184. (in Russ., abstract in Eng.)
Yakovleva N. M., Shul’ga A. M., Lukiyanchuk I. V., Stepanova K. V. , Kokatev A. N. Growth and crystallization of anodic oxide films on sintered titanium powders. In: Powder metallurgy: Surface Engineering, New Powder Composite materials. Welding. Proc. 12th Int. Sym.., 7–9 April 2021, Minsk. In 2 p. Part 2. Minsk: Belaruskaya nauka Publ.; 2021. p. 421–429. (in Russ., abstract in Eng.)
Yakovleva N. M., Shulga A. M., Stepanova K. V., Kokatev A. N., Rudnev V. S., Lukiyanchuk I. V., Kuryavyi V. G. Microcone anodic oxide films on sintered niobium powders. Condensed Matter and Interphases. 2020;22(1): 124–134. https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/2536
Stepanova K. V., Yakovleva N. M., Kokatev A. N., Pettersson Kh. Nanoporous anodic oxide films on Ti–Al owder alloy. Proceedings of Petrozavodsk State University. Natural and Engineering Sciences. 2015;147(2): 81–86. (in Russ., abstract in Eng.). Available at: https://elibrary.ru/item.asp?id=23306599
Habazaki H., Uozumi M., Konno H., Shimizu K., Skeldon P., Thompson G. E. Crystallization of anodic titania on titanium and its alloys. Corrosion Science. 2003;45: 2063–2073. https://doi.org/10.1016/S0010-938X(03)00040-4
Habazaki H., Uozumi H., Konno Н., Shimizu K., Skeldon P., Thompson G. E., Wood G. C. Breakdown of anodic films on titanium and its suppression by alloying. Journal of Corrosion Science and Engineering. 2003;6: 107. Available at: https://www.jcse.org/viewPaper/ID/206/fajeUDexa2dF4qbiJP7Hh6yvJ8mTNE
Nagesh Ch. R. V. S., Ramachandran C. S., Subramanyam R. B. Methods of titanium sponge production. Transactions of the Indian Institute of Metals. 2008;61(5): 341–348. https://doi.org/10.1007/s12666-008-0065-7
Beranek R., Hildebrand H., Schmuki P. Selforganized porous titanium oxide prepared in H2SO4/ HF electrolytes. Electrochemical and Solid-State Letters. 2003;6(3): 12–14. https://doi.org/10.1149/1.1545192
Mazzarolo A., Curioni M., Vicenzo A., Skeldon P., Thompson G. E. Anodic growth of titanium oxide: Electrochemical behaviour and morphological evolution. Electrochimica Acta. 2012;75: 288–295. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.04.114
Liu Z. J., Zhong X., Walton J., Thompson G. E. Anodic film growth of titanium oxide using the 3-electrode electrochemical technique: effects of oxygen evolution and morphological characterizations. Journal of The Electrochemical Society. 2016;163 (3): E75–E82. https://doi.org/10.1149/2.0181603jes
Copyright (c) 2022 Конденсированные среды и межфазные границы
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
