The titania nanotubular layer for photocatalytic application was synthesized by anodization process in HF solution and the photocatalytic efficiencies of nanotubular film were evaluated by the decomposition rate of aniline blue. In order to facilitate the photocatalytic reaction, the electron acceptors such as potassium bromate, hydrogen peroxide and ammonium persulfate were added to aniline blue solution and the effects of electron acceptors on the dye degradation efficiency were evaluated. The results showed that the photocatalytic efficiency has markedly improved by adding the electron acceptors.
연구 목적: 높은 외력이 작용하는 부위의 임플란트 재료로서 사용되고 있는 Ti-6Al-7Nb 합금의 골유착을 개선하기 위한 방법의 하나로서 나노튜브 $TiO_2$ 층 생성하고 전석회화 처리한 다음 유사체액 중에서의 활성도를 알아보고자 하였다. 연구 재료 및 방법: 양극산화처리는 glycerol에 20 wt% $H_2O$와 1 wt% $NH_4F$를 혼합하여 준비한 전해질 수용액에 전압 20 V, 전류밀도 20 mA/$cm^2$의 조건에서 1시간동안 통전하였다. 전석회화처리는 $80^{\circ}C$의 $Na_2HPO_4$ 수용액에 30분 동안 침적하고, 이어서$100^{\circ}C$의 $Ca(OH)_2$ 포화 수용액에 30분 동안 침적하였으며, $500^{\circ}C$에서 2시간 동안 열처리하였다. 전석회화처리 후 표면층의 생체활성도를 조사하기 위해 $36.5^{\circ}C$, pH 7.4의 유사체액에 10일 동안 침적하였다. 결과: 1. 나노튜브 $TiO_2$ 층은 높은 자기정렬 형태를 갖고 큰 직경의 튜브들 사이 공간에 상대적으로 작은 직경의 튜브들이 생성되는 형태로 치밀한 구조를 이루었으며, 상부에서 하부로 갈수록 직경 감소를 보였다. 2.1 wt% $NH_4F$와 20 wt% $H_2O$를 함유하는 glycerol 전해액에서 20V의 전압을 인가하여 생성된 나노튜브들의 평균 길이는 $517.0{\pm}23.2\;nm$를 보였다. 3. 나노튜브 $TiO_2$ 층의 생체활성도는 $80^{\circ}C$의 0.5 M$Na_2HPO_4$ 수용액과 $100^{\circ}C$의 $Ca(OH)_2$ 포화 수용액에 침적하는 전석회화처리 군의 경우에 크게 개선되어, 아파타이트의 석출 과정에서 나타나는 치밀한 돌기상과 이들을 가로지르는 미세 균열상이 관찰되었다. 결론: Ti-6Al-7Nb 합금을 나노튜브 $TiO_2$ 층 생성 후 전석회화 처리한 결과 생체활성도가 개선되었다.
Nanotubular structure formation on the Ti-6Al-4V and Ti-Ta alloy surfaces by electrochemical methods has been studied using the anodizing method. A nanotube layer was formed on Ti alloys in 1.0 M $H_3PO_4$ electrolyte with small additions of $F^-$ ions. The nanotube nucleation and growth of the ${\alpha}$-phase and ${\beta}$-phase appeared differently, and showed different morphology for Cp-Ti, Ti-6Al-4V and Ti-Ta alloys. In the ${\alpha}$-phase of Cp-Ti and martensite ${\alpha}^{\prime}$ and in the ${\alpha}^{{\prime}{\prime}}$ and ${\beta}$-phase of the Ti-Ta alloy, the nanotube showed a clearly highly ordered $TiO_2$ layer. In the case of the Ti-Ta alloy, the pore size of the nanotube was smaller than that of the Cp-Ti due to the ${\beta}$-stabilizing Ta element. In the case of the Ti-6Al-4V alloy, the ${\alpha}$-phase showed a stable porous structure; the ${\beta}$-phase was dissolved entirely. The nanotube with two-size scale and high order showed itself on Ti-Ta alloys with increasing Ta content.
골이식 부위에서 연조직의 붕괴를 막아주면서 골이식재를 위한 안정적인 공간을 확보하기 위해서 타이타늄 메쉬가 적용된다. 본 연구에서 생체 불활성의 특성을 보이는 타이타늄 차폐막에 양극산화와 석회화 순환처리에 의해서 생체활성을 부여한 결과, 골형성을 촉진하는 결과를 보여주었다.
Dye sensitized solar cells (DSC) are promising devices for inexpensive, nontoxic, transparent, and large-scale solar energy conversion. Generally thick $TiO_2$ nanoporous films act as efficient photoanodes with their large surface area for absorbing light. However, electron transport through nanoparticle networks causes the slowdown and the loss of electron transport because of a number of interparticle boundaries inside the conduction path. We have studied DSCs with precisely dimension-controlled $TiO_2$ nanotubes array as photoanode. $TiO_2$ nanotubes array is prepared by template-directed fabrication method with atomic layer deposition. Well-ordered nanotubes array provides not only large surface area for light absorbing but also direct pathway for electrons with minimalized grain boundaries. Large enlongated anatase grains in the nanotubes could enhance the conductivity of electrons, but also suppress the recombination with holes through defect sites during diffusion into the electrode. To study the effect of grain boundaries, we fabricated two kinds of nanotubes which have different grain sizes by controlling deposition conditions. And we studied electron conduction through two kinds of nanotubes with different grain structures. The solar cell performance was studied as a function of thickness and grain structures. And overall solar-to-electric energy conversion efficiencies of up to 7% were obtained.
일차원 나노튜브는 구조는 높은 비표면적, 내부의 빈 공간 및 특유의 물리적 특징을 제공한다. 1차원 산화물 나노튜브 구조물의 합성 방법에 따라 나누어 정리하여 논의하였다. 나노 기판을 이용한 나노튜브 합성은 고른 물리적 구조를 가지는 나노튜브를 대량으로 합성하는데 있어서 이상적인 방법으로서 기판의 형태를 상대적으로 용의하게 조절함으로써 1차원 나노튜브 구조물의 특성을 극대화하였다. 극대화된 특성을 이용한 여러 응용 분야에 대한 연구를 정리하여 제시하였다.
Nanoporous or nanotubular metal oxide can be fabricated by anodization of metal substrate in fluoride contained electrolytes. The approach allows various transition metals such as Zr, Hf, Nb, Ta to form highly ordered oxide nanostructures. These oxide nanostructures have various advantages such as high surface area, fast electron transport rate and slow recombination in semiconductive materials. Recently, vanadium oxide nanostructures have been drawn attentions due to their superior electronic, catalytic and ion insertion properties. However, anodization of vanadium metal to form oxide layers is relatively difficult due to ease formation of highly soluble complex in water contained electrolyte during anodization. Yang et al. reported $[TiF_6]^{2-}$ or $[BF_4]^-$ in electrolyte helps to formation of stable oxide layer [1, 2]. However, the reported approaches are very sensitive in other parameters. In this presentation, we deal with the other important key parameters to form ordered anodic vanadium oxide such as pH, temperatures and applied potential.
Atomic layer deposition (ALD), utilizing self-limiting surface reactions, could offer promising perspectives for future efficient energy conversion devices. The capabilities of ALD for surface/interface modification and construction of novel architectures with sub-nanometer precision and exceptional conformality over high aspect ratio make it more valuable than any other deposition methods in nanoscale science and technology. In the context, a variety of researches on fabrication of active materials for energy conversion applications by ALD are emerging. Among those materials, one-dimensional nanotubular titanium dioxide, providing not only high specific surface area but also efficient carrier transport pathway, is a class of the most intensively explored materials for energy conversion systems, such as photovoltaic cells and photo/electrochemical devices. The monodisperse, stoichiometric, anatase, TiO2 nanotubes with smooth surface morphology and controlled wall thickness were fabricated via low-temperature template-directed ALD followed by subsequent annealing. The ALD-grown, anatase, TiO2 nanotubes in alumina template show unusual crystal growth behavior which allows to form remarkably large grains along axial direction over certain wall thickness. We also fabricated dye-sensitized solar cells (DSCs) introducing our anatase TiO2 nanotubes as photoanodes, and studied the effect of blocking layer, TiO2 thin films formed by ALD, on overall device efficiency. The photon convertsion efficiency ~7% were measured for our TiO2 nanotubebased DSCs with blocking layers, which is ~1% higher than ones without blocking layer. We also performed open circuit voltage decay measurement to estimate recombination rate in our cells, which is 3 times longer than conventional nanoparticulate photoanodes. The high efficiency of our ALD-grown, anatase, TiO2 nanotube-based DSCs may be attributed to both enhanced charge transport property of our TiO2 nanotubes photoanode and the suppression of recombination at the interface between transparent conducting electrode and iodine electrolytes by blocking layer.
Electrochemical surface treatment is commonly used to form a thin, rough, and porous oxidation layer on the surface of titanium. The purpose of this study was to investigate the formation of nanotubular titanium oxide arrays during short anodization processing. The specimen used in this study was 99.9% pure cp-Ti (ASTM Grade II) in the form of a disc with diameter of 15 mm and a thickness of 1 mm. A DC power supplier was used with the anodizing apparatus, and the titanium specimen and the platinum plate ($3mm{\times}4mm{\times}0.1mm$) were connected to an anode and cathode, respectively. The progressive formation of $TiO_2$ nanotubes was observed with FE-SEM (Field Emission Scanning Electron Microscopy). Highly ordered $TiO_2$ nanotubes were formed at a potential of 20 V in a solution of 1M $H_3PO_4$ + 1.5 wt.% HF for 10 minutes, corresponding with steady state processing. The diameters and the closed ends of $TiO_2$ nanotubes measured at a value of 50 cumulative percent were 100 nm and 120 nm, respectively. The $TiO_2$ nanotubes had lengths of 500 nm. As the anodization processing reached 10 minutes, the frequency distribution for the diameters and the closed ends of the $TiO_2$ nanotubes was gradually reduced. Short anodization processing for $TiO_2$ nanotubes of within 10 minutes was established.
To improve photocatalytic performance, CdS nanoparticle deposited TiO2 nanotubular photocatalysts are synthesized. The TiO2 nanotube is fabricated by electrochemical anodization at a constant voltage of 60 V, and annealed at 500 for crystallization. The CdS nanoparticles on TiO2 nanotubes are synthesized by successive ionic layer adsorption and reaction method. The surface characteristics and photocurrent responses of TNT/CdS photocatalysts are investigated by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), UV-Vis spectrometer and LED light source installed potentiostat. The bandgaps of the CdS deposited TiO2 photocatalysts are gradually narrowed with increasing of amounts of deposited CdS nanoparticles, which enhances visible light absorption ability of composite photocatalysts. Enhanced photoelectrochemical performance is observed in the nanocomposite TiO2 photocatalyst. However, the maximum photocurrent response and dye degradation efficiency are observed for TNT/CdS30 photocatalyst. The excellent photocatalytic performance of TNT/CdS30 catalyst can be ascribed to the synergistic effects of its better absorption ability of visible light region and efficient charge transport process.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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