Регистрация / Вход
Прислать материал

Применение микродугового оксидирования для формирования наноструктурированных слоев диоксида титана на титановой подложке

Сведения об участнике
ФИО
Боргардт Евгений Дмитриевич
Вуз
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Новые материалы. Производственные технологии и процессы
Раздел области наук
Нанотехнологии
Тема
Применение микродугового оксидирования для формирования наноструктурированных слоев диоксида титана на титановой подложке
Резюме
Методом микродугового оксидирования получены образцы TiO2 на Ti подложке. При помощи сканирующей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа изучена их морфология, фазовый и элементный состав. Исследована фотокаталитическая активность образцов, сделаны выводы о влиянии режимов получения слоев на их фазовый состав, морфологию и фотокаталитическую активность.
Ключевые слова
фотокатализ, диоксид титана, микродуговое оксидирование, плазменное электролитическое оксидирование
Цели и задачи
Цель проекта – оценка возможности создания оксидных слоев на титановой подложке, обладающих фотокаталитической активностью путем применения метода микродугового оксидирования.

Задачи проекта:
1) Синтезирование оксидных слоев при разных режимах МДО;
2) Проведение исследования морфологии поверхности слоев, химического состава, фазового состава
3) Исследование фотокаталитической активности оксидных слоев и выявление взаимосвязи фотокаталитической активности со свойствами слоя.
Введение

На сегодняшний день в мире много внимания уделяется новым эффективным и дешевым методам очистки сточных вод и доочистке до приемлемых для использования концентраций. Среди многообразия методов очистки сточных вод от загрязнителей выгодно выделяется метод фотокатализа, являющийся в перспективе наименее затратным как в получении, так и в работе. Традиционные методы получения фотокатализаторов отличаются высокой сложностью и стоимостью синтеза, отсутствием экологичности [1,2,3]. Предлагаемый метод микродугового оксидирования - получение слоя TiO2 на Ti подложке. Он отличается экологичностью и высокой скоростью синтеза [4], а получение слоя на подложке избавляет от необходимости удаления частиц катализатора из раствора. 

Методы и материалы

Для проведения оксидирования были использованы заготовки размерами 100х100 мм из титанового деформируемого сплава ОТ4-1. В качестве электролита был использован раствор двенадцативодного фосфорнокислого двузамещенного натрия (химическая формула Nа2НРО4×12Н2О). Для образца 1 время обработки составило 10 мин при плотности тока 15 А/дм2. Для образца 2 время обработки составило 90 мин при плотности тока 25 А/дм2

Оксидирование велось на экспериментальной технологической установке МДО, созданной специалистами Тольяттинского государственного университета (ТГУ) в лаборатории НИО-4 “Оксидные слои, покрытия и пленки”.

Для исследования морфологии поверхности и химического состава слоев использовался электронный сканирующий (растровый) автоэмисионный микроскоп (ЭРСЭМ) Carl Zeiss Sigma 02-09.

Для исследования фазового состава был использован рентгеновский дифрактометр Shimadzu Maxima XRD-7000 с фильтрованным CuKα излучением.

Испытания фотокаталитической активности проводились на пластинах 100х50 мм в модельном растворе красителя метиленовый синий в воде (концентрация 10 мг/л). Объем раствора составил 400 мл. 

 

Описание и обсуждение результатов

1. Получены снимки макрорельефа образцов 1 и 2 при увеличении х5000. 

Типы элементов микрорельефа двух образцов можно условно поделить на «большие» поры, «малые» поры и сегменты.  При этом, в отличие от образца 1, образец 2 обладает равноудаленными друг от друга порами и отсутствием сегментальных элементов микрорельефа. В сумме эти факторы дают основание считать, что гладкий образец 2, обладающий на порядок более крупными порами, имеет значительно меньшую удельную поверхность по сравнению с образцом 1. 

2. Получены рентгенограммы образцов со слоем TiO2. Процентные соотношения фаз анатаза и рутила представлены в таблице . 

  Анатаз Рутил
1 71,0% 28,9%
2 57,8% 42,2%

Из результатов фазового анализа образцов 1 и 2 следует, что образец 1 обладает ≈ на 19% большим количеством фазы анатаза. Известно, что анатаз – метастабильная фаза. при нагревании до 400 °C происходит переход анатаза в рутил. Большее время выдержки и иные электротехнические параметры процесса увеличивают температуры на поверхности слоя.

3. Определен элементный состав образцов в массовых долях, %. Сканирование поры образца 2 выявило полное отсутствие кислорода и 92,28% Ti. Одновременно с этим поры образца 1 показали наличие как Ti (51,51%), так и О (40,32%). Эти данные свидетельствуют о наличии у образца 2 сквозных пор, обладающих значительно большей глубиной по сравнению с несквозными порами образца 1. 

Сканирование выявило наличие в составе обоих образцов химических элементов, входящих в состав электролита – Na и P. Их наличие согласуется с известными данными источников [19-22] и может быть объяснено механизмом массопереноса элементов из электролита в оксидный слой дугой микроразряда, схожим с механизмом электрофореза.

4. Проведено испытание на фотокаталитическую активность по методике, описанной в пункте 2.1. График изменения оптической плотности раствора с течением времени под воздействием фотокаталитической реакции на образцах 1 и 2 представлен на рисунке. ● – образец 1, ▲ – образец 2.

Из полученных данных следует, что образец 1 проявил наибольшую фотокаталитическую активность по сравнению с образцом 2. Такие результаты коррелируют с фазовым составом образцов и их микрорельефом; наиболее фотокаталитически активным показал себя образец 1, имеющий в составе 71% анатаза и наименьшие элементы микрорельефа, а, следовательно, наибольшую удельную поверхность. Проведенное исследование позволило сделать вывод о том, что методом МДО можно получить фотокаталитически активный слой на титановой подложке. При реализации метода показана возможность управлять структурой и морфологией оксидного слоя. Полученные результаты находятся в соответствии с известными положениями: фотокаталитическим эффектом обладает оксидный слой с максимально развитой поверхностью и большим содержанием анатаза

 

 

 

Используемые источники
1. Михайлов, Г.Г. Химические и технологические приемы получения фотокаталитического покрытия / Г.Г. Михайлов, Т.М. Лонзингер, А.Г. Морозова, В.А. Скотников // Вестник Южно-Уральского государственного университета. – 2012. - №24. – С. 62-68.
2. Chen X., Mao S. / Titanium Dioxide Nanomaterials: Synthesis, Properties,
Modifications, and Applications // Chemical Reviews. - 2007. V.107. №7. Р.
2891-2959.
3. Бессуднова Е.В. Диссертация – Синтез и исследование наноразмерных частиц диоксида титана для применения в катализе и нанобиотехнологиях ; автореф. дис. канд. хим. наук. : 02.00.04 / Е.В. Бессуднова; Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения РАН. – Новосибирск, 2014. – 20 с.
4. Суминов И.В., Эпельфельд А.В., Людин В.Б. и др. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). – М. : ЭКОМЕТ, 2005. – 368 с.
Information about the project
Surname Name
Borgardt Eugeny
Project title
Application of micro-arc oxidation for obtaining of nanostructural titanium dioxide layers on a titanium substrate
Summary of the project
Samples of TiO2 layers on Ti alloy substrate were obtained by micro arc oxidation (MAO, PEO) method. The layers were characterised with using of SEM, XRD. Photocatalytical activity of the layers was estimated. Corellation between phase composition, elemental composition, morphology and photocatalytical activity was revealed.
Keywords
photocatalysis, titanium dioxide, microarc oxidation, plasma electrolytic oxidation