مروری

روش تهيه، مكانيسم رشد
و كاربرد نانولولههای تيتانيا/تيتاناتي
مريم صفائی*+
تهران، پژوهشگاه صنعت نفت
چكيده: روشهاي تهيه نانولوله تيتانيا/ تيتاناتی به دو گروه “با استفاده از الگو” و “بدون استفاده از الگو” دستهبندي میشوند. در تهيه نانولولههاي تيتانيا/ تيتاناتی میتوان از الگوي نوع مثبت يا منفی )شامل ژل كنندههاي آلی، غشاهاي نانومتخلخل آلومينايی، نانولولههاي كربنی ،فعال كننده سطحی( بهمنظور دستيابی به شكل نانولوله بهعنوان شابلون، قطرهاي بزرگ) nm05>( را تهيه كرد. روشهاي بدون استفاده از الگو شامل رشد نانولولهها بر ذرههاي كلوئيدي، فرايند هيدروترمال قليايی و آندكاري تيتانيم در حمامهاي داراي فلوريد است. كليد توسعه و بهرهبرداري مواد جديد نانوساختار در افزايش درك چگونگی اثر شرايط تهيه بر روي ويژگیهاي مواد نانوساختار به منظور تهيه مواد مناسب براي كاربردهاي ويژه است. در اين راستا شناخت مكانيسم تشكيل نانوساختار از اهميت ويژهاي برخوردار است. در اين مقاله روشهاي تهيه، بررسی ريزساختاري اين نانولولهها و مكانيسم تشكيل و رشد آنها و برتريها و عيبهاي هر يك از روشها كه توسط پژوهشگران گزارش شده، بيان میشود. افزايش چشمگير سطح ويژه و حجم حفره بهدست آمده بهدليل مورفولوژي نانولوله است كه منجر به افزايش پتانسيل كاربردي اين مواد در زمينههاي گوناگون تبديل و ذخيره سازي انرژي، كاتاليستها، الكتروكاتاليستها، كاتاليستهاي نوري، مواد مغناطيسی ،رهاسازي دارو ، كاربردهاي زيستی، كامپوزيتها ،تكميل سطح، پوششهاي تريبولوژيكی و … میشود.
واژههاي كليدي: نانولولهها؛ تهيه؛ تيتانيا؛ تيتانات؛ مكانيسم تشكيل؛ كاربرد.
KEY WORDS: Nanotubes; Synthesis; Titania; Titanate; Mechanism of formation; Application.
مقدمه
تهيه نانولولهها يكي از مهمترين موضوعهای پژوهش قابليت تعويض يوني و قابليت كاتاليستي نوری برای كاربردهای در فناوری ميباشد. مواد گوناگوني به شكل نانولوله در طول گوناگون مؤثر هستند] 2[. بسته به روش تهيه، قطر لولهها از دهههای اخير توليد شدهاند] 1[. چند منظوره بودن ذاتي نانولولهها زير نانومتر تا دهها نانومتر ميتواند تغيير كند] 3[. كشف نانولولههای بهدليل ناحيههای گوناگون سطحهای تماس است. اين سطوح كربني توسط Iijima ]4[، به پژوهشهای گستردهای در تهيه در دهانه لوله، سطح داخلي، سطح خارجي و در ناحيههای بين لايهها نانولولهها از موادی به غير از كربن منجر شده است. مواد نانولوله كه ديوارههای نانولوله را تشكيل ميدهند، ايجاد ميشود. نسبت به شكلهای تودهای خود به دليل ويژگيهای شيميايي ،اين سطوح در افزايش مساحت سطح فعال نانولولهها ، مكانيكي و الكترونيكي استثنايي مورد توجه بسياری هستند .

+E-mail: [email protected] عهده دار مكاتبات *
3
مطابق با منبع تشكيل اتمي اين مواد، نانولولهها ميتوانند به دو دسته تقسيمبندی شوند:
دسته اول نانولولههايي كه از پيچش مواد با ساختار لايهای مانند گرافيت و بُُر نيتريد در امتداد يك محور تشكيل شدهاند] 5]. دسته دوم، نانولولههايي كه بر پايه اكسيدهای فلز با اربيتال d مانند 2TiO2, V2O5, SiO2, Al2O3, SnO تشكيل ميشوند] 9-6[. تاكنون از بين نانولولههای تهيه شده در دسته دوم ،نانولولههای تيتانيم اكسيد بهدليل خواص ويژه و پتانسيل كاربردی بالا بيشتر از بقيه مورد توجه بودهاند ]14-11[. تيتانيم اكسيد مادهای با حوزه كاربرد گسترده است. با توجه به اينكه امروزه فازهای آناتاز و روتايل سطح ويژه محدودی دارند. بنابراين كاربردهايشان بهويژه در جاييكه پديدههای جذب همانند كاتاليست نوری، حسگر گاز، پيلهای خورشيدی و … لازم است، محدود ميشود .
در حال حاضر تلاش بسياری برای توسعه و بهبود جامدها بر پايه تيتانات و تيتانيا در اندازههای نانو و مورفولوژی ويژه همچون نانوفيبر، نانوصفحه، نانولوله بهدليل پتانسيل شناخته شده در كاربردهای گوناگون متمركز شده است] 14-11[.

تهيه نانولولههای تيتانيا/تيتاناتي
پژوهشگران نانولولههای تيتانيا/ تيتاناتي را با روشهای متنوعي تهيه كردهاند. به طور كلي تهيه اين نانولوله ها را ميتوان به دو گروه شامل روشهايي با استفاده از الگو)1( و بدون الگو دسته بندی كرد. در اين مقاله روشهای ساخت و بررسي ريزساختاری اين نانولولهها و نيز مكانيسم تشكيل و رشد آنها و برتریها و عيبهای هر يك از روشها كه توسط پژوهشگران گزارش شده است، بيان ميشود.

استفاده از الگو
يكي از روشهای مرسوم از پايين به بالا، استفاده از الگو است .
در تهيه نانولولههای تيتانيا/ تيتاناتي از الگو بهعنوان شابلون بهمنظور دستيابي به شكل نانولوله ميتوان استفاده نمود. انواع الگو ميتوانند بر اساس اندازه مشخصه نانوساختاری به سه گروه ماكرو متخلخل، مزو متخلخل و ميكرو متخلخل دسته بندی شوند.
)0( Helical ribbons
)6( Cholestrol
)7( Versatile
)8( Crown
از عيبهای اين روش، خروج ماده الگو پس از تهيه نانولوله است كه به افزايش هزينه و زمان منجر ميشود. الگوها بر اساس شكل هندسي لايه رسوبي به دو دسته مثبت و منفي تقسيم ميشوند. اگر
پيش ماده روی سطح خارجي الگو رسوبگذاری شود ، نوع مثبت و اگر داخل حفرههای داخلي الگو رسوب نمايد ، نوع منفي است. بهطوركلي چهار نوع الگو در تهيه اين نانولولهها توسط پژوهشگران گزارش شده است. اين چهار نوع الگو شامل ژل كنندههای آلي)2(، غشاهای نانومتخلخل آلومينايي)3(، نانولولههای كربني ،فعال كننده سطحي)4( است.

ژل كنندههای آلي
يكي از روشهای تهيه نانولولهها و نوارهای مارپيچي)5( تيتانيم اكسيد استفاده از الگوی ژل آلي ميباشد] 15[.
اين نوع الگو از نوع مثبت ماكرو متخلخل است. ژل كنندههای آلي تركيبهايي با وزن مولكولي پايين ميباشند كه در غلظت پايين سيالهای آلي را ژل ميكنند] 16[. به عنوان نمونه ژل كننده كلسترول)6( با ساختار مولكولي نشان داده شده در شكل 1 ميتواند حلالهای آلي مانند استيك اسيد، استرونيتريل، استون ،
اتانول ،1- بوتانول ،1- هگزانول ،DMF ،DMSO را به آساني در غلظتهای پايين خود )زير 1% ( به ژل تبديل كند .
شكل 2 تصويرهای SEM و TEM از ژل آلي استيك اسيد به وسيله تركيب 1 را نشان ميدهد. تركيب 1 به عنوان يك ژل كننده فراگير)7( برای حلالهای آلي ميباشد.
در حقيقت ژل كنندههای آلي عاملهای جهت دهنده ساختار ميباشند و گروههای عاملي مانند بخش كراون)8( كه در ساختار اين تركيبها وجود دارند افزون بر كنترل حلاليت حلال آلي ، برای آماده سازی ساختار لولهای دو لايهای يك الگو در واكنش سل ـ ژل مهم ميباشند. بررسي نانولولههای تهيه شده با اين روش نشان ميدهد كه هر دو انتهای لولهها باز هستند و از يك ديواره و يك هسته داخلي سوراخدار تشكيل شدهاند] 17و18[.
-35950703105

J. H. Jung و همكاران ]15[ در سال 2112 ميلادی برای ساخت نانولولهها و نوارهای مارپيچ تيتانيم اكسيد با استفاده از الگوی ژل آلي روشي را ارايه نمودند: تركيب ژل كننده 1 )2 تا 5 ميليگرم(
)1( Template
)2( Organogelator
)3( Nanoporous alumina membranes
)4( Surfactant
2
1397-185570

شکل 3ـ ساختار مولکولي ژلكننده كلسترول.
3242437217932

شکل 2ـ تصويرهای ميکروسکوپ الکتروني روبشي و ميکروسکوپ الکتروني عبوری ژل آلي استيك اسيد از تركيب 3.

در 1ـ بوتانول) 211 ميليگرم( حل شده و سپس 4Ti(OiPr) به مقدار تمام نتيجهها، الگوبرداری موفقيت آميز ساختارهای تيتانيم اكسيد
از ساختارهای نوار مارپيچي و نانولوله ژل آلي از تركيب 1 را تأييد ميكنند .تصويرهای ميكروسكوپ الكتروني عبوری با بزرگنمايي بالا از لولههای تيتانيم اكسيد ثابت ميكنند كه اين لولهها از دولايه تيتانيم اكسيد با نانوفضای خالي بين لايهها به اندازه nm 9 ـ 8 تشكيل شدهاند و با جذب مولكول 4Ti(OiPr) در دو طرف لايه ژل آلي به ضخامت nm 9 ـ 8 ايجاد شدهاند. ساختار تيتانيم اكسيد با سوراخ داخلي كه قطر آن بهطور كامل بر قطر الگوی ژل آلي منطبق ميباشد، تشكيل شده است. بنابراين نانولولههای تيتانيم اكسيد دارای فضای باز ميكرو و يك حفره ماكرو ميباشد كه به ترتيب قطری به اندازه nm 8-9 و nm 511 دارند. آنها مكانيسمي برای تشكيل ساختارهای تيتانيم اكسيد به صورت نوار مارپيچي و نانولوله مطابق شكل 5 پيشنهاد دادند : در اين مدل نمونههای اوليگومر تيتانيم اكسيد در دو سوی سطح داخلي و خارجي ساختارهای نوار مارپيچي و لولهای در ژل آلي جذب ميشود و پليمريزاسيون بعدی در راستای نانولوله و نوار مارپيچي پيشرفت ميكند. سپس نانولوله تيتانيم اكسيد با پليمريزاسيون سل ـ ژل در هر دو سوی سطح شكل C5 ادامه پيدا ميكند كه به احتمال قوی از طريق اندركنشهای پيوند هيدروژني بين بخش آميد و پيش ماده

غشاهای نانومتخلخل آلومينايي
بهكارگيری اين نوع الگو مثبت نسبت به الگوهای ديگر برای تهيه نانولولههای تيتانيا توسط پژوهشگران بيشتر مورد بررسي قرار گرفته است] 22-19[. استفاده از اين نوع غشاءها برای ساخت ساختارهای در مقياس نانومتری بهدليل نظم بالای نمونه در يك ظرف باز در دمای محيط به مدت 14 روز بهصورت ساكن قرار گرفته و سپس در دمای C°211 به مدت 2 ساعت و در دمای C°511 در شرايط هوادهي به مدت 4 ساعت نگهداری ميشود. بعد از تكليس، مورفولوژی فراوردهی تيتانيم اكسيد با ميكروسكوپ الكتروني روبشي)1( و ميكروسكوپ الكتروني عبوری)2( )شكلهای 3 و4( بررسي شده است.

21 ميليگرم افزوده ميشود و سرانجام بنزيلآمين) 6 ميليگرم( با بار منفي تيتانيم اكسيد ميباشد. در حقيقت اين نتيجهها بيانگر به عنوان كاتاليست برای پليمريزاسيون سل ـ ژل افزوده ميشود. فراگير بودن روش الگو برای ايجاد ساختارهای گوناگون معدني ميباشد.
)1( Scanning Electron Microscope (SEM) )2( Transmission Electron Microscope (TEM)
4
-16763-2474236

شکل
4
ـ

تصوير

ميکروسکوپ

الکتروني

روبشي

از

نوارهای

مارپيچ

و

نانولوله
با
لايه

های

دوگانه

تيتانيم

اكسيد

(
بعد
ازكلسيناسيون
)

به

روش

الگوبرداری

ژل

از

3

بوتانول
تركيب

3
.

شکل
3
ـ

تصويرهای

ميکروسکوپ

الکتروني

عبوری

و

مارپيچ

نوار

از

نانولوله
تيتانيم

اكسيد
(
پس

ازكلسيناسيون
)
به
روش

الگوبرداری

ژل

از

3

بوتانول

تركيب

3

(
a
(
پائين

بزرگنمائي
)
b
پائين
)
بزرگنمائي

.



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید