Μελέτη του μηχανισμού ανοδικής ηλεκτροχημικής ανάπτυξης υδρόφοβων υμενιών αλάτων κορεσμένων λιπαρών οξέων

Αντωνόπουλος, Ιωάννης; Antonopoulos, Ioannis

dc.contributor.author	Αντωνόπουλος, Ιωάννης	el
dc.contributor.author	Antonopoulos, Ioannis	en
dc.date.accessioned	2016-07-01T08:17:10Z
dc.date.available	2016-07-01T08:17:10Z
dc.date.issued	2016-07-01
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/42920
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8363
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Υπερυδρόφοβες επιφάνειες	el
dc.subject	Ανοδική οξείδωση του χαλκού	el
dc.subject	Μυριστικός χαλκός	el
dc.subject	Superhydrophobic surfaces	en
dc.subject	Anodic oxidation of copper	en
dc.subject	Copper myristate	en
dc.title	Μελέτη του μηχανισμού ανοδικής ηλεκτροχημικής ανάπτυξης υδρόφοβων υμενιών αλάτων κορεσμένων λιπαρών οξέων	el
dc.title	Study of the anodic electrochemical growth mechanism of hydrophobic saturated fatty acid salt layers	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ηλεκτροχημεία	el
heal.classification	Electrochemistry	en
heal.classification	Επιστήμη των υλικών	el
heal.classification	Material science	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-02-22
heal.abstract	Στην παρούσα εργασία, εξετάζεται η δυνατότητα ανάπτυξης υπερυδρόφοβων επικαλύψεων στην επιφάνεια μεταλλικών υποστρωμάτων με ηλεκτροχημικές μεθόδους και μελετώνται η δομή και οι ιδιότητες των επικαλύψεων αυτών. Η μέθοδος ανάπτυξης των επικαλύψεων συνίσταται σε ανοδική πόλωση υποστρωμάτων χαλκού σε υψηλές τιμές δυναμικού, της τάξης των 100 V, με χρήση ηλεκτρολυτικού διαλύματος τετραδεκανοϊκού οξέος συγκέντρωσης 0.1 M σε αιθανόλη. Η πόλωση πραγματοποιείται σε κελί δύο ηλεκτροδίων, ενώ εξετάζονται διαφορετικές διατάξεις για τη βελτιστοποίηση της διαδικασίας ανάπτυξης. Η δομή και οι ιδιότητες των επικαλύψεων μελετώνται με χρήση οπτικών και φασματοσκοπικών τεχνικών και συγκεκριμένα Οπτικής Μικροσκοπίας, Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM}, Στοιχειακής Μικροανάλυσης με Διασπορά Ακτίνων Χ (EDX), Περίθλασης Ακτίνων Χ (XRD) και Φασματοσκοπίας Υπερύθρου Μετασχηματισμού Fourier (FTIR). Από τα αποτελέσματα της εφαρμογής των τεχνικών αυτών διαπιστώνεται ότι οι σχηματιζόμενες επικαλύψεις αποτελούν τετραδεκανοϊκά άλατα του δισθενούς χαλκού, παρουσιάζουν επιφανειακή δόμηση με μορφή λουλουδιών που αποτελείται από συνδυασμό μικρο- και νανο- χαρακτηριστικών, ενώ εμφανίζουν την ιδιότητα της υδροφοβικότητας. Το χρησιμοποιούμενο ηλεκτρολυτικό διάλυμα τροποποιείται με αλλαγή του διαλύτη από αιθανόλη σε μεθανόλη και προσθήκη φέροντος ηλεκτρολύτη, συγκεκριμένα τετραφθοροβορικού τετρααιθυλαμμωνίου. Οι μεταβολές αυτές εφαρμόζονται ώστε η ανάπτυξη να μπορεί να πραγματοποιηθεί σε πολύ χαμηλότερα δυναμικά, τα οποία εντάσσονται στα όρια λειτουργίας ενός συμβατικού ποτενσιοστάτη. Συγκεκριμένα, η μεθανόλη παρουσιάζει υψηλότερη ηλεκτρική διαπερατότητα σε σχέση με την αιθανόλη, συμβάλλοντας έτσι στην αύξηση της αγωγιμότητας του διαλύματος. Αντίστοιχη συμβολή επιδιώκεται και με την προσθήκη φέροντος ηλεκτρολύτη, με σκοπό όσο το δυνατόν χαμηλότερη ωμική πτώση τάσης στο ηλεκτρολυτικό διάλυμα. Με την πραγματοποίηση πειραμάτων με χρήση ποτενσιοστάτη είναι δυνατή η μελέτη του εξεταζόμενου συστήματος με χρήση ηλεκτροχημικών μεθόδων, με σκοπό τη διερεύνηση του μηχανισμού ανάπτυξης των επικαλύψεων. Οι μέθοδοι που αξιοποιούνται είναι η Γραμμική Βολταμμετρία Σάρωσης (LSV), η Κυκλική Βολταμμετρία (CV), η Χρονοαμπερομετρία, η Φασματοσκοπία Ηλεκτροχημικής Εμπέδησης (EIS) αλλά και ο συνδυασμός EIS και CV για τη μέτρηση της χωρητικότητας κατά τη διάρκεια Κυκλικής Βολταμμετρίας. Επίσης, πραγματοποιούνται πειράματα με χρήση ηλεκτροδίου λευκοχρύσου σε μεθανολικό διάλυμα φέροντος ηλεκτρολύτη, καθώς και πειράματα με χρήση ηλεκτροδίου χαλκού σε αυτό το διάλυμα, απουσία και παρουσία μυριστικού οξέος. Τα πειράματα αυτά έχουν ως σκοπό τη μελέτη της ηλεκτροχημικής συμπεριφοράς του μεθανολικού διαλύτη, των δράσεων που πραγματοποιούνται σε ένα ηλεκτρόδιο χαλκού στη μεθανόλη και αυτών που πραγματοποιούνται στο ηλεκτρολυτικό διάλυμα που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη, αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων με το ηλεκτρόδιο λευκοχρύσου αποκαλύπτουν ότι, ήδη από χαμηλά ανοδικά δυναμικά (περίπου 0 V σε σχέση με το ηλεκτρόδιο αναφοράς αργύρου - χλωριούχου αργύρου), στο ηλεκτρολυτικό διάλυμα λαμβάνει χώρα η δράση οξείδωσης της μεθανόλης, ο ρυθμός της οποίας αυξάνεται δραστικά για δυναμικά άνω των +1.2 V. Χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδιο χαλκού και απουσία μυριστικού οξέος παρατηρείται, άνω των + 200 mV, η ενεργός ηλεκτροδιάλυση του χαλκού και πιθανόν ο σχηματισμός χημικών ειδών, όπως π.χ. μεθοξειδίου του χαλκού, μέσω της αντίδρασης χαλκού και μεθανόλης. Παρατηρείται επίσης η ύπαρξη μιας αστάθειας στο σύστημα, σε εύρος δυναμικών τουλάχιστον μεταξύ +500 και +800 mV, η οποία θα μπορούσε να αποδειχθεί αρνητική για την ανάπτυξη των υδρόφοβων επικαλύψεων σε δυναμικά άνω των +500 mV. Παρουσία μυριστικού οξέος διαπιστώνεται ότι σχηματίζεται ένα πρόσθετο είδος, το μυριστικό άλας του δισθενούς χαλκού, το οποίο είναι και το κύριο συστατικό της υδρόφοβης επικάλυψης. Με βάση τα παραπάνω αποτελέσματα και τις υποθέσεις που πραγματοποιούνται για το μηχανισμό της ανάπτυξης, προτείνεται μια νέα διαδικασία ανάπτυξης, η οποία είναι σαφώς βελτιωμένη σε σχέση με την αρχική, δεδομένου ότι περιλαμβάνει πολύ ηπιότερες και καλύτερα ελεγχόμενες πειραματικές συνθήκες. Συγκεκριμένα, προτείνεται ανάπτυξη των επικαλύψεων σε διάταξη τριών ηλεκτροδίων, με χρήση μεθανολικού διαλύματος συγκεντρώσεων 0.1 M μυριστικού οξέος και 0.1 M τετραφθοροβορικού τετρααιθυλαμμωνίου και εφαρμογή διαφοράς δυναμικού +400 mV. Ενδεικτικές δοκιμές που πραγματοποιήθηκαν για τη συγκεκριμένη διαδικασία έδωσαν ενθαρρυντικά αποτελέσματα.	el
heal.abstract	In the present work, the feasibility of superhydrophobic layer growth on the surface of metallic substrates with electrochemical methods is examined and the structure and properties of the layers are determined. The method of layer growth consists of anodic polarization of copper substrates at high applied potential values, in the range of 100 V, using an electrolytic solution of 0.1 M myristic acid in ethanol. The polarization is carried out in a two-electrode cell, while different experimental setups are examined to optimize the growth procedure. The structure and properties of the layers are studied using optical and spectroscopic techniques, more specifically Optical Microscopy, Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), X-ray Diffraction (XRD) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The results of the application of these techniques show that the layers formed are tetradecanoic salts of copper (II), that they have a flower-like surface structure consisting of micro- and nano-characteristics and that they display the hydrophobic property. The electrolytic solution used is modified by changing the solvent from ethanol to methanol and by adding a supporting electrolyte, specifically tetraethylammonium tetrafluoroborate. These changes are applied so that the growth can happen in much lower applied potentials, which are within the operation limits of a conventional potentiostat. More specifically, methanol's electric permittivity is higher than that of ethanol, contributing to the increase in solution conductivity. A similar contribution is sought in adding the supporting electrolyte, in order to obtain low ohmic drop in the solution. Conducting the experiments with a potentiostat enables the examination of the electrochemical system with electrochemical methods, with the purpose of revealing the underlying mechanism of layer growth. The employed methods are Linear Sweep Voltammetry (LSV), Cyclic Voltammetry (CV), Chronoamperometry, Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), as well as the combination of EIS and CV for the determination of capacitance during the CV experiments. Experiments involving the use of a platinum electrode in a methanolic solution of supporting electrolyte, as well as experiments with a copper electrode in the same solution, in the absence or presence of myristic acid, are also conducted. These experiments aim at the study of the electrochemical behavior of the methanolic solvent, the reactions that occur at a copper electrode in methanol and those that occur in the electrolytic solution used for the layer growth, respectively. The results of the experiments with the platinum electrode reveal that, even at low anodic potentials (about 0 V versus the silver - silver chloride reference electrode), the oxidation of methanol occurs in the solution, while the rate of this reaction radically increases at potentials above +1.2 V. Using a copper electrode in the absence of myristic acid, it is observed that the active electrodissolution of copper takes place at potentials above +200 mV, possibly accompanied by the formation of chemical species, for example copper (ii) methoxide, due to the reaction between copper and methanol. An instability is also observed in the system, in the potential range between +500 and +800 mV. This instability could prove to have a negative effect on the growth of hydrophobic layers in potentials above +500 mV. In the presence of myristic acid it is found that an additional species, the copper myristate salt, which is the main component of the hydrophobic layer, is formed. Based on the above results and the hypothesis made about the growth mechanism, a new growth procedure is proposed. This procedure is greatly improved compared to the initial one, considering that it involves milder and better controlled experimental conditions. More specifically, it is proposed that the layer growth is conducted in a three-electrode cell, using a methanolic solution of 0.1 M myristic acid and 0.1 M tetraethylammonium tetrafluoroborate and applying a potential value of +400 mV. Indicative tests using this procedure provided encouraging results.	en
heal.advisorName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Παντελής, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών (ΙΙΙ). Εργαστήριο Φυσικοχημείας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	83 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true