Estudio cinético de la formación de películas nanoporosas y nanotubulares de TiO2

O. E. LINAREZ PÉREZ; M. BROENS; M. LÓPEZ TEIJELO

Buenos Aires

Congreso; XIX Congreso Argentino de Fisicoquímica y Química Inorgánica; 2015

Asociación Argentina de Fisquicoquímica y Química Inorgánica

Si bien es conocido que las estructuras auto-organizadas de nanotubos de TiO2 pueden ser generadas de manera simple por oxidación de sustratos de titanio metálico bajo condiciones específicas [1-3], el mecanismo de formación no ha sido adecuadamente descrito. Se ha postulado empíricamente que la formación de las películas ocurre por una transición desde una estructura porosa a otra nanotubular, asociada a la solubilidad de una capa de óxido enriquecida en iones fluoruro provenientes del baño electrolítico. De este modo, la morfología final de los nanotubos depende principalmente del crecimiento y solubilidad de la película de óxido quienes, a su vez, están determinados por el campo eléctrico, la composición del electrolito y condiciones de anodización. En este trabajo se estudian las diferentes etapas que gobiernan la formación de las películas auto-organizadas de nanotubos de TiO2, mediante el análisis de las curvas de crecimiento corriente-tiempo (j-t) y la morfología resultante (radio interno, largo, densidad de tubos y fracción de área ocupada por tubos). Se plantea un modelo cinético donde la formación de las películas auto-organizadas de nanotubos de TiO2 puede ser descrita, de manera simplificada, mediante dos procesos que ocurren en paralelo. Por un lado, el crecimiento de una película porosa de óxido, promovido por el campo eléctrico acoplado a un fenómeno de disolución química. Paralelamente, se considera la nucleación progresiva y aleatoria de huecos que crecen tridimensionalmente (cilindros de solvente) debido a la difusión de iones fluoruro provenientes del baño electrolítico hasta la superficie de la película. Para validar el modelo planteado, se prepararon sistemas nanotubulares o de porosidad controlada de TiO2 mediante anodización electroquímica de Ti en baños electrolíticos en base a etilenglicol y H2O, conteniendo diferentes cantidades de NH4F, bajo diferentes condiciones experimentales (potencial, tiempo y temperatura de anodizado). Este modelo simplificado permite describir adecuadamente los perfiles j-t obtenidos durante el anodizado y extraer información cinética del proceso global (campo eléctrico, corriente de disolución, coeficiente de difusión y velocidad de nucleación de poros) en función de las condiciones experimentales. A su vez, el modelo predice los parámetros geométricos característicos de las películas de nanotubos de TiO2 obtenidos por FE-SEM y microscopía confocal tridimensional.