Effect of Synthesis Variables of Titania Nanotube Arrays Grown by Alternating Voltage Anodization in Ethylene Glycol

Abstract

La anodización de titanio en soluciones con ión fluoruro produce arreglos de nanotubos de dióxido de titanio altamente organizados de forma perpendicular al sustrato. En el proceso, un campo eléctrico es aplicado entre un ánodo de titanio y un cátodo metálico sumergidos en una solución electrolítica que contenga fluoruro y agua. Esta técnica ha sido ampliamente usada en la producción de este nanomaterial para su aplicación en una amplia variedad de campos incluyendo tratamiento de aguas residuales, biomedicina y almacenamiento y conversión de energía. El interés en la anodización como procedimiento de preparación de nanotubos de dióxido de titanio se debe a su simplicidad y al alto grado de control sobre la morfología del nanomaterial resultante. Los requerimientos en cuanto a la morfología del material varían entre una aplicación y otra. Es por esta razón que mucha de la investigación se ha concentrado en controlar las características morfológicas de los nanotubos. Esto se consigue ajustando las condiciones de anodización, por ejemplo el perfil de voltaje aplicado y la composición del baño electrolítico. En esta tesis, los efectos de las principales condiciones de anodización en voltaje constante son modeladas para obtener una expresión cinética empírica capaz de predecir acertadamente la longitud en función del tiempo de arreglos de nanotubos de dióxido de titanio producidos dentro de un amplio rango de condiciones. Este trabajo también explora las razones detrás de la formación de morfologías avanzadas tales como arreglos de nanobambúes y múltiples capas de nanotubos obtenidas por anodización en voltaje alternante. El modelo cinético desarrollado en esta tesis es usado en el estudio del uso de los nanotubos de dióxido de titanio en un nuevo tipo de capacitores electrostáticos con alta densidad de energía fabricados con materiales super dieléctricos. Esta tesis cierra algunas brechas en la comprensión del proceso de síntesis de los arreglos de nanotubos de dióxido de titanio y sienta las bases para la investigación de un nuevo tipo de capacitor.

Abstract. Anodization of titanium in fluoride containing electrolytes yields highly ordered titania nanotube arrays perpendicular to the surface of the substrate. In the process, an electric field is applied between a titanium anode and a metallic cathode submerged in a solution containing fluoride and water. This procedure has been widely used to produce this nanomaterial for application in many fields, including wastewater treatment, biomedicine, and energy conversion and storage. The interest for this technique comes from its simplicity and the high degree of control over the morphology of the resulting material. Depending on the application, nanotubes with different morphologies are required. For that reason much of the research has focused on tuning the morphological features of titania nanotubes. This is achieved adjusting the anodization conditions, such as the applied voltage profile and the composition of the anodization solution. In this thesis, the effects of the main constant voltage anodization conditions are modeled to produce an empirical kinetic expression that accurately predicts the length of titania nanotube arrays grown under a wide range of voltages and electrolyte compositions at different times. This work also explores the reasons behind the formation of advanced morphologies such as bamboo-like structures and multiple layers of nanotubes obtained via alternating voltage anodization. The kinetic model developed in this thesis is used in the study of the application of titania nanotube arrays in a novel type of super dielectric materials based electrostatic capacitors with high energy capacity. This thesis fills some gaps in the understanding of the synthesis of titania nanotube arrays and sets the basis for the research on a new kind of capacitor.