Ett nanofiberark av titanoxid utvecklades av en FAPESP-finansierad forskargrupp genom elektrospinning och atomlageravsättning (atomkraftmikroskopbild av TiO2 tunn film på cirka 100 nanometer). Kredit:FAPESP
Titanoxid (TiO 2 ) nanofibrer kan ha olika tillämpningar, såsom i katalysatorer och filter. När TiO 2 exciteras av ultraviolett ljus, det bryter ned organiskt material. Därav, TiO 2 kan användas för att filtrera avloppsvatten för återanvändning, till exempel.
En ny metod för att tillverka dessa fibrer har utvecklats i Brasilien av Rodrigo Savio Pessoa och Bruno Manzolli Rodrigues, forskare vid Aeronautical Technology Institute's Plasma and Process Laboratory (LPP-ITA) och Science and Technology Institute of Universidade Brasil (ICT-UB), som en del av ett projekt som stöds av São Paulo Research Foundation—FAPESP. En artikel i ämnet har publicerats i Material idag:Proceedings .
"Tekniken vi använde kallas atomlageravsättning. Den främjar tillväxt av materialet lager för lager, eller till och med molekyl för molekyl, " berättade Pessoa.
I studien, TiO 2 deponerades på nanofibrer av PBAT (poly (butylenadipat-co-tereftalat)), en biopolymer som bryts ned snabbt i naturen, till skillnad från PET (polyetylentereftalat), som förblir intakt i decennier.
Det första steget var att producera ett membran av PBAT nanofibrer, vilket gjordes genom elektrospinning, en teknik som liknar den som används för att göra sockervadd, men som involverar en elektrostatisk procedur.
"En PBAT-lösning elektrospunnades för att producera ultratunna nanofibrer bara några hundra nanometer tjocka. Dessa fibrer utgjorde arket som användes som substrat, sa Pessoa.
Nästa steg var att belägga varje fiber med TiO 2 . "Atomskiktsavsättning använder prekursorer till materialet av intresse som produceras av gas eller vätska som snabbt förångas av lågt tryck. I det här fallet, vi använde titantetraklorid (TiCl 4 ) och vatten (H 2 O) som prekursorer. Detta gjordes i en vakuumkammare uppvärmd till 100 °C och 150 °C, " han förklarade.
TiCl 4 släpptes i successiva pulser på 0,25 sekunder. När den släpps i ett vakuum, TiCl 4 avdunstar snabbt och reagerar med fibrernas yta, bindning till hydroxylradikaler (OH-) och syreradikaler (O 2 - ) som finns i materialet.
Eftersom TiCI4 inte reagerar med sig själv, den initiala pulsen fyllde bara ett lager, som sedan oxiderades med ånga. Väte bundet till klor och syre bundet till titan, bildar det första monoskiktet av TiO 2 .
Denna procedur upprepades cirka 1, 000 gånger, bygga upp TiO 2 strukturera lager för lager. För att ta bort PBAT-substratet och frigöra TiO 2 nanorör, materialet upphettades till 900°C på ett kontrollerat sätt. Resultatet blev ett ark av TiO 2 nanorör med en tjocklek på cirka 100 nanometer.
"Deponeringstekniken är baserad på ytreaktioner och resulterar därför i en jämn beläggning, täcker fibrerna en efter en. Det är relativt enkelt men kräver automatisering så att mängden material och spridningstiden styrs noggrant, sa Pessoa.
Som ett material för filtrering, arket av TiO 2 nanorör kombinerar den mekaniska fördelen att blockera partiklar som är större än en specifik storlek med den biokemiska fördelen att generera radikaler som lätt bryter ned organiskt material när de bestrålas med UV-ljus. Eftersom arket är gjort av nanofibrer, den har en stor yta, vilket avsevärt ökar reaktionshastigheten.
