Кафедра технічної електрохімії Електрохімічний синтез наноструктур на основі

Кафедра технічної електрохімії Електрохімічний синтез наноструктур на основі поруватих оксидів вентильних металів Студента групи Н-47 м Тегіної А. Г. Керівник: проф. Ляшок Л. В. Харків 2013 р.

Мета роботи • Формування плівок поруватого оксиду титану з упорядкованою структурою методом анодного окиснення. • Дослідження впливу умов анодування на мікроструктуру синтезованих плівок. • Синтез композита на основі поруватого оксиду титану. • Випробовування поруватих оксидів Ті у якості композитного електроду у напівпровідникових газових сенсорах для детектування NOx. • Розробка заходів з охорони праці для забезпечення проведення досліджень в нешкідливих та безпечних умовах. • Проведення розрахунків техніко-економічних показників науково-дослідної роботи. • Передбачення заходи при виникненні НС 2

Застосування поруватих плівок вентильних металів Ti. O 2 Al 2 O 3 WO 3 Ta 2 O 5 Nb 2 O 5 3

Механізм формування поруватого шару на титані Ti → Ti 2 O → Ti. O 0. 9 -1. 1 → Ti 3 O 5 → Ti 2 O 3 → Ti 4 O 7→ Ti 6 O 11 → Ti 7 O 13 → Ti 8 O 15 → Ti 9 O 17 → Ti 10 O 19 → Ti. O 2. 4

Вибір електроліту для формування поруватого Ti. O 2 5

Електрохімічний синтез поруватого оксиду титану Изменение плотности тока со временем ja(t) при анодировании титана в C 2 H 4(OH)2 + 0. 25 %NH 4 Fпри на пряжении 60 B и комнатной температуре. A, B, C — стадии формирования нанотрубчатой структуры. Временные зависимости величины плотности тока в процессе роста анодного оксида титана при напряжениях 1 – 10 В, 2 – 30 В, 3 – 50 В 12

Електрохімічний синтез поруватого оксиду титану 1 – 10, 2 – 5, 3 – 2. Залежність напруги при анодуванні титану від часу в розчині 1 М H 3 PO 4 + 0, 5 % NH 4 F при густинах струму, м. А/см 2 1 – 8, 2 – 5, 3 – 2. Залежність напруги при анодуванні титану від часу в розчині 0, 5 % NH 4 F + 99, 5 % мас C 2 H 6 O 2 при густинах струму, м. А/см 2 7 5

Вибір р. Н електроліту 1 – 2, j = 2 м. А/см 2 2 – 2, j = 5 м. А/см 2 3 – 4, j = 2 м. А/см 2 4 – 4, j = 5 м. А/см 2 Залежність напруги від часу в 0, 5 % NH 4 F + 99, 5 % мас C 2 H 6 O 2 при різних р. Н 1 – 1, j = 2 м. А/см 2 2– 1, j = 5 м. А/см 2 3 – 2, j = 2 м. А/см 2 4 – 2, j = 5 м. А/см 2 Залежність напруги від часу в 1 М Н 3 РО 4 + 0, 5 % NH 4 F при різних р. Н 8 6

Геометричні параметри анодного оксиду титану а – товщина стінки комірки; б – розмір комірки; в – діаметр пори; г – товщина бар’єрного шару; д – титан. де P – поруватість, %; r – радіус пори, нм; Схематичне зображення поруватої структури анодного оксиду титану Dс = -1, 7 + 2, 8 U де Dint – відстань між центрами сусідніми порами, нм; k – коефіцієнт пропорційності, нм/В; 2, 5 ≤ k ≤ 2, 8. де Dс – розмір оксидної комірки, нм; U – напруга, В. 9 7

Порівняльні характеристики поруватої структури синтезованих анодних оксидних плівок Нап. Густина струму, j, м. А/см 2 Діаметр руга, комірки, пори, U, В Електроліт Діаметр Dc, нм Dр, нм Відстань між центрами пор, Dint, нм Поруватість, P, % 0, 5 % NH 4 F + C 2 H 6 O 2 (99, 5 % мас) 5 50 138, 3 46, 1 130 11, 39 0, 5 % NH 4 F + C 2 H 6 O 2 (99, 5 % мас) 5 40 110, 3 36, 77 104 11, 33 0, 5 % NH 4 F + C 2 H 6 O 2 (99, 5 % мас 5 30 82, 3 27, 43 78 11, 2 0, 5 % NH 4 F + C 2 H 6 O 2 (99, 5 % мас) 5 25 68, 3 22, 77 65 11, 12 0, 5 % NH 4 F + C 2 H 6 O 2 (99, 5 % мас) 5 20 54, 3 18, 1 52 10, 98 5 20 54, 3 18, 1 56 9, 5 1 М Н 3 РО 4 + 0, 5 % NH F 8 10

Мікрофотографії зразків а – верхня сторона плівки б – скол плівки Зразок ТіО 2 40 В, синтезований в етиленгліколевому електроліті методом двостадійного окиснення плівка ТіО 2, U=20 В (а), поверхня металевого титану після відділення плівки (б) Поверхня плівка оксиду титану після двостадійного анодного окиснення плівка ТіО 2, U=10 В (а), поверхня металевого титану після відділення плівки (б) 11

Синтез композиту ТіО 2 -WO 3 • Виділення з вторинної вольфрамомісної сировини вольфрамату натрію • Виділення свободної H 2 WO 4. Na 2 WO 4 + 2 HCl → H 2 WO 4 + 2 Na. Cl • Пропитка поруватого темплата в отримвній суспензії • Термічний розклад (Т = 500 -600°С) 12

Випробовування модифікованого електроду на чуттєвість до NOx Схема випробовування модифікованого електроду на чуттєвість до NOx 13

Перевірка газочутливості на NOx синтезованого Ti. O 2 + WO 3 Час, хв 5 8 10 21 15 Залежності стаціонарного сигналу напівпровідникового сенсора від вмісту в повітрі NO 2. R/R 1 46 Адсорбційний відгук синтезованого композита 14

Висновки • • • Методом двостадійного окиснення сформовано поруваті плівки анодного оксиду титану упорядкованої структури. Показано, що склад електроліту та режим електролізу суттєво впливає на структурні характеристики синтезованих оксидних матриць Дані про наявність гексагонального упорядкування в плівках підтверджуються методом растрової електронної мікроскопії, на мікрофотографії верхньої сторони плівки видно, що зразок має доменну структуру з гексагональним впорядкуванням пор Запропонована методика синтезу композита Ti. O 2 -Pd Проведені випробування підтвердили, що синтезовані композити є газочутливими при детектуванні H 2 Передбачено заходи з охорони праці та навколишнього середовища Розраховано техніко-економічні показники науково-дослідної роботи (НДР). Доведено, що проведення даної НДР є доцільним та економічно вигідним 15

7

9

8