تاثیر پارامترهای فرآیند آندایز تیتانیم خالص بر مورفولوژی نانولوله های دی‌اکسیدتیتانیم

مهندسی متالورژی و مواد

مقاله 1، دوره 36، شماره 3 - شماره پیاپی 39، شهریور 1404، صفحه 1-26   

نوع مقاله: علمی و پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jmme.2025.92562.1196

نویسندگان

نازنین یزدان پرست¹؛ فائزه درویشیان حقیقی²؛ محسن حداد سبزوار^{* 3}؛ سحر ملازاده بیدختی²

¹گروه مهندسی مواد و متالورژی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران

²گروه مهندسی مواد ومتالورژی، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

³گروه مهندسی مواد ومتالورژی، دانشکده مهندسی،دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد ، ایران

چکیده

اخیرا ساختار‌های نانومقیاس به دلیل خواص منحصر به فرد خود از جمله سازگاری زیستی خوب توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. نانولوله‌های تیتانیا (TiO2 NT) با توجه به کاربرد گسترده آن‌ها حائز اهمیت می‌باشند. یکی از روش‌های کاربردی جهت توسعه دی‌اکسیدتیتانیوم، آندایز الکتروشیمیایی به منظور تشکیل نانولوله‌های تیتانیا با طول، قطر و مورفولوژی متفاوت به صورت درجا بر سطح فلز تیتانیوم است. به کمک این روش می‌توان با کنترل پارامتر‌های آندایز با زمان و هزینه اندک، نانولوله‌های دی‌اکسید‌تیتانیوم را با موفولوژی موردنظر فرآوری نمود. در پژوهش حاضر، تیتانیوم خالص (grade2) با اعمال پارامتر‌های آندایز الکتروشیمیایی در حمام استاندارد دو الکترودی مورد مطالعه قرار گرفته‌است. افزون بر آن، تاثیر پارامترهایی از جمله دما، زمان، آماده‌سازی سطحی، نوع کاتد و الکترولیت بر روی ریزساختار نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم بررسی شده‌است. ریزساختار توسط میکروسکوپ الکترونی روبشی نشرمیدانی(FESEM) بررسی شده و عناصر موجود در ساختار، توسط تکنیک طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس(EDS) اندازه‌گیری شده است. نتایج نشان می‌دهد تغییر هر یک از این پارآمتر‌ها طی فرآیند آندایز سبب دست‌یابی به مورفولوژی متفاوت از تیتانیا شده‌است. با افزایش دما در ولتاژ60 ولت، انحلال نانولوله‌ها افزایش و در دما 50 درجه سانتی‌گراد و زمان 270 دقیقه، انحلال شدید دی‌اکسیدتیتانیوم رخ داده‌است. همچنین حضور فلوراید در الکترولیت عامل اصلی تشکیل نانولوله‌ است. برسی تاثیر هر یک از این پارامتر‌ها، سبب دستیابی به شرایط بهینه آندایز گردیده‌است. مشاهده شد افزایش زمان آندایز از 60 به 360 دقیقه سبب افزایش طول نانولوله‌های دی‌اکسید تیتانیوم از 12 به 47 میکرومتر و افزایش قطر نانولوله‌ها از50 به 120 نانومتر گردیده‌است.

کلیدواژه‌ها

آندایزالکتروشیمیایی؛ تاثیر دما و زمان؛ نوع کاتد و الکترولیت؛ تیتانیوم خالص (grade2)؛ تاثیر ولتاژ؛ مورفولوژی

مراجع

[1] D. Regonini, C. R. Bowen, A. Jaroenworaluck, and R. Stevens, “A review of growth mechanism, structure and crystallinity of anodized TiO₂ nanotubes,” Materials Science and Engineering: R: Reports, vol. 74, pp. 377–406, 2013. https://doi.org/10.1016/j.mser.2013.10.001 

[2] C. M. Taylor, D. Mattia, and J. Wenk, “Photocatalytic immobilised TiO₂ nanostructures via fluoride-free anodisation,” Journal of Environmental Chemical Engineering, vol. 8, p. 103798, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jece.2020.103798

[3] M. Sarraf, E. R. Ghomi, and S. Alipour, “A state-of-the-art review of the fabrication and characteristics of titanium and its alloys for biomedical applications,” Bio-Design and Manufacturing, vol. 5, no. 2, pp. 371–395, 2022. https://doi.org/10.1007/s42242-021-00170-3

[4] M. Mansoorianfar, R. Rahighi, and A. Hojjati-Najafabadi, “Amorphous/crystalline phase control of nanotubular TiO₂ membranes via pressure-engineered anodizing,” Materials & Design, vol. 198, p. 109314, 2021. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.109314

[5] J. Wang and Z. Lin, “Anodic formation of ordered TiO₂ nanotube arrays: Effects of electrolyte temperature and anodization potential,” Journal of Physical Chemistry C, vol. 113, no. 10, pp. 4026–4030, 2009. https://doi.org/10.1021/jp811201x

[6] A. F. Cipriano, C. Miller, and H. Liu, “Anodic growth and biomedical applications of TiO₂ nanotubes,” Journal of Biomedical Nanotechnology, vol. 10, pp. 2977–3003, 2014. https://doi.org/10.1166/jbn.2014.1927

[7] X. Zhou, N. T. Nguyen, S. Özkan, and P. Schmuki, “Anodic TiO₂ nanotube layers: Why does self-organized growth occur—A mini review,” Electrochemistry Communications, vol. 46, pp. 157–162, 2014. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2014.06.021

[8] C. Adán, J. Marugán, and E. Sánchez, “Understanding the effect of morphology on the photocatalytic activity of TiO₂ nanotube array electrodes,” Electrochimica Acta, vol. 191, pp. 521–529, 2016. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.01.088

[9] D. Khudhair, A. Bhatti, and Y. Li, “Anodization parameters influencing the morphology and electrical properties of TiO₂ nanotubes for living cell interfacing and investigations,” Materials Science and Engineering: C, vol. 59, pp. 1125–1142, 2016. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.10.042

[10] J. A. Chacón and A. Cerdán-Pasarán, “Anodized TiO₂ nanotubes sensitized with selenium doped CdS nanoparticles for solar water splitting,” Energies, vol. 17, no. 7, p. 1592, 2024. https://doi.org/10.3390/en17071592

[11] S. Simbolon and Mahesa, “Fabrication of TiO₂ nanotubes on a Ti6Al4V substrate by anodisation under high voltage,” Ceramics-Silikáty, vol. 68, no. 1, pp. 88–95, 2024. https://doi.org/10.13168/cs.2024.0008

[12] P. Nakpan and A. Aeimbhu, “Fabrication of titanium dioxide nanotubes by difference the anodization voltage and time,” Materials Today: Proceedings, vol. 47, pp. 3436–3440, 2021. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2021.03.290

[13] A. L. Escada and R. Z. Nakazato, “Influence of anodization parameters in the TiO₂ nanotubes formation on Ti-7.5Mo alloy surface for biomedical application,” Materials Research, vol. 20, no. 5, pp. 1282–1290, 2017. https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2016-0520

[14] Z. Lockman and S. Sreekantan, “Influence of anodisation voltage on the dimension of titania nanotubes,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 503, no. 2, pp. 359–364, 2010. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.12.093

[15] S. Sreekantana and Z. Lockman, “Influence of electrolyte pH on TiO₂ nanotube formation by Ti anodization,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 485, no. 1–2, pp. 478–483, 2009. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.05.152

[16] T. Guo, S. Ivanovski, and K. Gulati, “Optimizing titanium implant nano-engineering via anodization,” Materials & Design, vol. 223, p. 111110, 2022. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2022.111110

[17] V. Sivaprakash and R. Narayanan, “Synthesis of TiO₂ nanotubes via electrochemical anodization with different water content,” Materials Today: Proceedings, vol. 37, pp. 142–146, 2020. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.04.657

[18] M. Erol, T. Dikici, M. Toparli, and E. Celik, “The effect of anodization parameters on the formation of nanoporous TiO₂ layers and their photocatalytic activities,” Journal of Alloys and Compounds, vol. 604, pp. 66–72, 2014. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.03.105

[19] D. R. Barjaktarević and I. Lj. Cvijović-Alagić, “Anodization of Ti-based materials for biomedical applications: A review,” Metallurgical and Materials Engineering, vol. 22, no. 3, pp. 129–144, 2016. https://doi.org/10.5937/metalmateng1603129B

[20] I. S. Park and T. G. Woo, “Surface characteristics of titanium anodized in the four different types of electrolyte,” Electrochimica Acta, vol. 53, no. 2, pp. 863–870, 2007. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2007.07.067

[21] S. Minagar, C. C. Berndt, and J. Wang, “A review of the application of anodization for the fabrication of nanotubes on metal implant surfaces,” Acta Biomaterialia, vol. 8, no. 8, pp. 2875–2888, 2012. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.04.005

[22] V. Galstyan, A. Vomiero, and E. Comini, “TiO₂ nanotubular and nanoporous arrays by electrochemical anodization on different substrates,” RSC Advances, vol. 1, no. 6, pp. 1038–1044, 2011. https://doi.org/10.1039/C1RA00077B

[23] S. Berger, J. Kunze, and P. Schmuki, “Influence of water content on the growth of anodic TiO₂ nanotubes in fluoride-containing ethylene glycol electrolytes,” Journal of The Electrochemical Society, vol. 157, no. 1, p. C18, 2010. https://doi.org/10.1149/1.3251338

[24] K. Indira, U. K. Mudali, T. Nishimura, and N. Rajendran, “Review on TiO₂ nanotubes: Influence of anodization parameters, formation mechanism, properties, corrosion behavior, and biomedical applications,” Journal of Bio- and Tribo-Corrosion, vol. 1, no. 4, p. 28, 2015. https://doi.org/10.1007/s40735-015-0024-x

[25] B. Li, X. Han, and L. Qin, “Relationship between the growth rate of nanotubes and the current−time curve of the anodizing process,” Journal of Physical Chemistry C, vol. 128, no. 28, p. 18138, 2024. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c03809

[26] T. Tian and X.-f. Xiao, “Study on titania nanotube arrays prepared by titanium anodization in NH₄F/H₂SO₄ solution,” Journal of Materials Science, vol. 42, no. 14, pp. 5641–5646, 2007. https://doi.org/10.1007/s10853-006-1104-6

[27] Y. Liu and Y. Wang, “Impact of TiO₂ nanoparticles and nanowires on corrosion protection performance of chemically bonded phosphate ceramic coatings,” Ceramics International, vol. 48, no. 4, pp. 5091–5099, 2022. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.11.047

[28] C.-T. Yip and M. Guo, “Open-ended TiO₂ nanotubes formed by two-step anodization and their application in dye-sensitized solar cells,” Nanoscale, vol. 4, no. 2, pp. 448–450, 2012. https://doi.org/10.1039/c2nr11317a

[29] L. Suhadolnik and Ž. Marinko, “Influence of anodization-electrolyte aging on the photocatalytic activity of TiO₂ nanotube arrays,” Journal of Physical Chemistry C, vol. 124, no. 7, pp. 4073–4080, 2020. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b09522