Painatuksen UV-stabiilisuuden optimointi fenolihartsatussa paperissa

Tässä diplomityössä tutkittiin painetun paperin ja siitä fenoliformaldehydihartsilla impregnoimalla valmistetun pinnoituskalvon UV-stabiilisuuden parantamis-mahdollisuuksia. Työn kirjallisuusosassa käsitellään painetun pinnoituskalvon valmistusprosessia ja painatuksen UV-valonkestoon vaikuttavia tekijöitä. Painovärin pigmentti, sen määrä ja käsittely, painovärin sideaine sekä fenoliformaldehydihartsi ja sen lisäaineet vaikuttavat pinnoitetun betonoimisvanerin säänkesto-ominaisuuksiin. Erilaisilla epäorgaanisilla valkoisilla pigmenteillä ja kidemuodoilla on erilainen UV-valonkesto ja taitekerroin. Päällystämällä titaanidioksidi esimerkiksi alumiini- tai zirkoniumoksideilla sen UV-valonkestoa voidaan parantaa merkittävästi. UV-hajoaminen voidaan havaita painetun pinnoitteen liituuntumisena. Liituuntumista voidaan pitää veden ja hapen välisenä reaktiona, jota titaanidioksidi ja UV-säteily katalysoivat. Sen takia myös muiden valkoisten epäorgaanisten pigmenttien ominaisuuksia ja käyttöä selvitettiin. Kokeissa käytettiin yhdeksää eri painoväriä, kahta eri paksuista paperia ja kahta eri tyyppistä hartsia. Painovärejä ohennettiin vedellä ja paperin painopuolta vaihdeltiin. Kaikissa painatuksissa käytettiin kolmea eri rasterointiasteen laattaa, jolloin painovärin määrää paperissa saatiin vähennettyä. Painetuista papereista mitattiin densiteetti, värimäärä, pisara-absorptio vedellä ja kontaktikulma hartsilla. Myös painovärin tunkeumaa selvitettiin paperin poikkileikeistä tehtyjen SEM-kuvien avulla. Painetut paperit impregnoitiin fenoliformaldehydihartsilla kalvoksi. Pinnoituskalvot puristettiin vanerin pinnalle laboratoriopuristimella. Koekappaleet altistettiin UV-valolle, sateelle ja pakkaselle sääkaapissa 400 h ajan, mikä vastaa noin 1,5 vuotta ulkona Suomen oloissa. Kappaleista mitattiin kiilto, värinmuutos ja liituuntuminen. Pinnoitteen liituuntumista tapahtui vähiten niissä koepisteissä, joissa painatus oli tehty 30 % rasteroidulla laatallaSäänkestävä TiO2 osoittautui hyväksi, mutta myös ZnO-pigmentillä saatiin hyviä tuloksia. ZnO-koepisteessä liituuntumisreaktio ei ole niin voimakkaasti katalysoitu kuin TiO2-koepisteissä. Paksun paperin painatuspuolella näytti olevan merkitystä säänkestoon. Huopapuolelle painettuna pinnoitteen liituuntuminen oli vähäisempää

Gas-phase photocatalytic oxidation of volatile organic compounds

Substances emitted into the atmosphere by human activities in urban and industrial areas cause environmental problems such as air quality degradation, respiratory diseases, climate change, global warming, and stratospheric ozone depletion. Volatile organic compounds (VOCs) are major air pollutants, emitted largely by industry, transportation and households. Many VOCs are toxic, and some are considered to be carcinogenic, mutagenic, or teratogenic. A wide spectrum of VOCs is readily oxidized photocatalytically. Photocatalytic oxidation (PCO) over titanium dioxide may present a potential alternative to air treatment strategies currently in use, such as adsorption and thermal treatment, due to its advantageous activity under ambient conditions, although higher but still mild temperatures may also be applied. The objective of the present research was to disclose routes of chemical reactions, estimate the kinetics and the sensitivity of gas-phase PCO to reaction conditions in respect of air pollutants containing heteroatoms in their molecules. Deactivation of the photocatalyst and restoration of its activity was also taken under consideration to assess the practical possibility of the application of PCO to the treatment of air polluted with VOCs. UV-irradiated titanium dioxide was selected as a photocatalyst for its chemical inertness, non-toxic character and low cost. In the present work Degussa P25 TiO2 photocatalyst was mostly used. In transient studies platinized TiO2 was also studied. The experimental research into PCO of following VOCs was undertaken: - methyl tert-butyl ether (MTBE) as the basic oxygenated motor fuel additive and, thus, a major non-biodegradable pollutant of groundwater; - tert-butyl alcohol (TBA) as the primary product of MTBE hydrolysis and PCO; - ethyl mercaptan (ethanethiol) as one of the reduced sulphur pungent air pollutants in the pulp-and-paper industry; - methylamine (MA) and dimethylamine (DMA) as the amino compounds often emitted by various industries. The PCO of VOCs was studied using a continuous-flow mode. The PCO of MTBE and TBA was also studied by transient mode, in which carbon dioxide, water, and acetone were identified as the main gas-phase products. The volatile products of thermal catalytic oxidation (TCO) of MTBE included 2-methyl-1-propene (2-MP), carbon monoxide, carbon dioxide and water; TBA decomposed to 2-MP and water. Continuous PCO of 4 TBA proceeded faster in humid air than dry air. MTBE oxidation, however, was less sensitive to humidity. The TiO2 catalyst was stable during continuous PCO of MTBE and TBA above 373 K, but gradually lost activity below 373 K; the catalyst could be regenerated by UV irradiation in the absence of gas-phase VOCs. Sulphur dioxide, carbon monoxide, carbon dioxide and water were identified as ultimate products of PCO of ethanethiol. Acetic acid was identified as a photocatalytic oxidation by-product. The limits of ethanethiol concentration and temperature, at which the reactor performance was stable for indefinite time, were established. The apparent reaction kinetics appeared to be independent of the reaction temperature within the studied limits, 373 to 453 K. The catalyst was completely and irreversibly deactivated with ethanethiol TCO. Volatile PCO products of MA included ammonia, nitrogen dioxide, nitrous oxide, carbon dioxide and water. Formamide was observed among DMA PCO products together with others similar to the ones of MA. TCO for both substances resulted in the formation of ammonia, hydrogen cyanide, carbon monoxide, carbon dioxide and water. No deactivation of the photocatalyst during the multiple long-run experiments was observed at the concentrations and temperatures used in the study. PCO of MA was also studied in the aqueous phase. Maximum efficiency was achieved in an alkaline media, where MA exhibited high fugitivity. Two mechanisms of aqueous PCO – decomposition to formate and ammonia, and oxidation of organic nitrogen directly to nitrite - lead ultimately to carbon dioxide, water, ammonia and nitrate: formate and nitrite were observed as intermediates. A part of the ammonia formed in the reaction was oxidized to nitrite and nitrate. This finding helped in better understanding of the gasphase PCO pathways. The PCO kinetic data for VOCs fitted well to the monomolecular Langmuir- Hinshelwood (L-H) model, whereas TCO kinetic behaviour matched the first order process for volatile amines and the L-H model for others. It should be noted that both LH and the first order equations were only the data fit, not the real description of the reaction kinetics. The dependence of the kinetic constants on temperature was established in the form of an Arrhenius equation.

Suodatuskalvon puhdistaminen UV-valolla tai ultraäänellä aktivoidulla titaanidioksidilla

Kalvotekniikan suurin ongelma on edelleen kalvon likaantuminen, jonka tuloksena kalvon erotuskyky voi muuttua ja liuoksen vuo kalvon läpi pientyä huomattavasti. Kalvotekniikan teollisissa sovelluksissa kalvojen puhdistus on yksi tärkeimmistä pääkohdista, sillä se määrittää kalvon käyttöikää ja käyttötehokkuutta. Yleisimmin käytetyn kemiallisen pesun tuloksena muodostuu hävitettävä pesuliuos, joka sisältää sekä kemikaaleja, että kalvosta poistetun lian. Työssä on tutkittu kalvon puhdistusta ultravioletti-valo- tai ultraäänikäsittelyssä titaanidioksidin läsnäollessa. Menetelmien mahdollisina etuina ovat kalvosta poistetun lian hajotus harmittomiksi komponenteiksi ja mahdollisesti kalvon pienempi kuluminen pesussa. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty orgaanisten ja epäorgaanisten aineiden hajottamista ultraviolettivalon tai ultraäänikäsittelyn avulla titaanidioksidin läsnäollessa sekä olosuhteiden vaikutusta menetelmien tehokkuuteen. Tämän lisäksi työssä on keskitytty polymeerikalvojen UV-valo- ja ultraäänikäsittelykestävyyteen. Kokeellisessa osassa on tutkittu UV-valo- ja ultraäänikäsittelyjen sopivuutta liatun PVDF-kalvon puhdistukseen titaanidioksidin läsnäollessa. Tavoitteena oli liatun kalvon permeabiliteetin palautus puhtaan kalvon tasolle käsittelyn avulla. Kalvon kestävyyttä on myös tutkittu. Tämän työn perusteella tutkittuja menetelmiä ei voida soveltaa tarkistettavan PVDF-kalvon puhdistukseen, ainakaan testeissä käytetyissä olosuhteissa, sillä kalvon ominaisuudet muuttuvat käsittelyissä.

Fotokatalyyttinen kalvonpesu

Fotokatalyysillä tarkoitetaan spontaania kemiallista reaktiota, joka tapahtuu fotokatalyytin absorboidessa valoa. Reaktio voi tapahtua joko katalyytin pinnalla tai sen läheisyydessä, mutta fotokatalyytti pysyy reaktiossa muuttumattomana. Ominaisuuksiltaan paras ja eniten tutkittu fotokatalyyttinen materiaali on titaanidioksidi, jolla on säteilytettynä kyky hajottaa orgaanisia molekyylejä hiilidioksidiksi ja vedeksi. Fotokatalyysin käyttömahdollisuuksia tutkitaan membraanikalvojen puhdistamisessa kalvojen käyttöiän ja erotustehokkuuden parantamiseksi. Nykyisin kalvojen puhdistamiseen käytetään useimmiten kemiallista pesua, jonka tuloksena on usein haitallisia yhdisteitä sisältävä liuos. Fotokatalyyttinen puhdistus voisi olla ratkaisu ongelmaan, sillä sen avulla voitaisiin puhdistamisessa käytettävien kemikaalien ja siinä muodostuvien jätteiden määrää vähentää. Tämän työn kokeellisessa osassa tutkittiin polyvinyylideenifluoridikalvon (PVDF) kestävyyttä ja puhdistumista fotokatalyyttisissä reaktioissa. PVDF:n on todettu olevan erinomainen kalvomateriaali, koska se on termisesti stabiili ja se kestää hyvin kemikaaleja, kuten orgaanisia liuottimia, happoja ja emäksiä. Työssä todettiin PVDF-kalvon puhdistuvan UV/TiO2-käsittelyn avulla. Kalvo puhdistui parhaiten, kun käytettiin 0,425 m- % TiO2-liuosta. Puhdistumista havainnoitiin sekä puhtaan veden vuon mittauksilla että värjäämällä käsiteltyjä kalvoja ja mittaamalla niiden värinintensiteetti.

Rasvasuodatus UV-valon avulla

Tämä kandidaatintyö käsittelee rasva-aerosolien vähentämistä liesituulettimissa ultraviolettivalon (UV) ja titaanioksidin avulla (TiO2). Työssä käsitellään rasva-aerosolien aiheuttamia haittoja julkisissa keittiöissä ja liesituulettimen merkitystä rasva-aerosolipitoisuuksiin. Työn tavoitteena on selvittää, miten rasva-aerosolit käyttäytyvät kun niitä suodatetaan UV-valon ja TiO2-katalyytin avulla. Työssä myös pohditaan onko UV/TiO2-menetelmä tehokas liesituulettimen rasvan vähentäjä.

Aqueous-phase reforming of renewables for selective hydrogen production in the presence of supported platinum catalysts

The evolution of our society is impossible without a constant progress in life-important areas such as chemical engineering and technology. Innovation, creativity and technology are three main components driving the progress of chemistry further towards a sustainable society. Biomass, being an attractive renewable feedstock for production of fine chemicals, energy-rich materials and even transportation fuels, captures progressively new positions in the area of chemical technology. Knowledge of heterogeneous catalysis and chemical technology applied to transformation of biomass-derived substances will open doors for a sustainable economy and facilitates the discovery of novel environmentally-benign processes which probably will replace existing technologies in the era of biorefinary. Aqueous-phase reforming (APR) is regarded as a promising technology for production of hydrogen and liquids fuels from biomass-derived substances such as C3-C6 polyols. In the present work, aqueous-phase reforming of glycerol, xylitol and sorbitol was investigated in the presence of supported Pt catalysts. The catalysts were deposited on different support materials, including Al2O3, TiO2 and carbons. Catalytic measurements were performed in a laboratory-scale continuous fixedbed reactor. An advanced analytical approach was developed in order to identify reaction products and reaction intermediates in the APR of polyols. The influence of the substrate structure on the product formation and selectivity in the APR reaction was also investigated, showing that the yields of the desired products varied depending on the substrate chain length. Additionally, the influence of bioethanol additive in the APR of glycerol and sorbitol was studied. A reaction network was advanced explaining the formation of products and key intermediates. The structure sensitivity in the aqueous-phase reforming reaction was demonstrated using a series of platinum catalysts supported on carbon with different Pt cluster sizes in the continuous fixed-bed reactor. Furthermore, a correlation between texture physico-chemical properties of the catalysts and catalytic data was established. The effect of the second metal (Re, Cu) addition to Pt catalysts was investigated in the APR of xylitol showing a superior hydrocarbon formation on PtRe bimetallic catalysts compared to monometallic Pt. On the basis of the experimental data obtained, mathematical modeling of the reaction kinetics was performed. The developed model was proven to successfully describe experimental data on APR of sorbitol with good accuracy.

Physico-chemical characterization of nanoparticle coated paper

Förståelse av olika ytors vätningsegenskaper är viktig i många pappers-relaterade industriella processer eftersom vätningen påverkar materialbeteendet, t.ex. vid bestrykning, tryckning och laminering. Förmågan att kontrollera vätningen är av intresse, därför att den ger nya möjligheter till modifikation av ytor. Vätningen styrs av ytans struktur och kemi. Kunskap om dessa egenskaper krävs både i fundamentala studier och för industriella applikationer. Nanopartiklar används ofta för att skapa funktionella ytor med mångsidiga egenskaper. Detta arbete strävar till att förstå de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos papper och kartong som är bestrukna med nanopartiklar, för att sedan kunna förklara de observerade förändringarna i ytornas vätningsförmåga. Funktionella ytor med justerbar vätningsförmåga tillverkades genom att deponera nanopartiklar i en rulle-till-rulle vätskeflammasprutningprocess (LFS). TiO2 -nanopartikelbeläggningen skapar en superhydrofob yta som har över 160° kontaktvinkelmed vatten, medan SiO2-nanopartikelbeläggningar skapar mycket hydrofila ytor med kontaktvinklar så låga som 21° med vatten. Superhydrofobiciteten eller hydrofiliteten är ett resultat av den kombinerade effekten hos ytstrukturen och ytkemin, såsom nanopartiklarnas oxidationsnivå eller karbonatiseringsnivå. Kartongytor som är bestrukna med TiO2-nanopartiklar kan vara såväl superhydrofoba som hydrofila. Hydrofilitet kan induceras genom UVA-strålning, medan behandling i hög temperatur i ugn resulterar i en superhydrofob yta. Ett mål med arbetet var att förstå mekanismerna hos de kemiska för ändringar som sker under UVA-bestrålning och värmebehandling av ytor, bestrukna med TiO2-nanopartiklar. Ytornas abrasions- och kompressionsmotstånd samt relaterade förändringar i funktionella egenskaper undersöktes. Resultaten skapar en bättre förståelse för potentiell användning av LFS-nanopartikelbeläggningar i pappersrelaterade applikationer. En förståelse för stabiliteten hos nanopartikelbeläggningarna när de exponeras för externa krafter är viktig för att försäkra deras funktionalitet i industriella applikationer och för att garantera beläggningarnas miljö-, hälso- och säkerhetsaspekter. ------------------------------------------ Pinnan kastumisominaisuuksien hallinta on tärkeää monissa paperiteollisuuden prosesseissa, sillä pinnan kastuminen vaikuttaa esimerkiksi päällystämiseen, painamiseen ja laminointiin. Pinnan kastuvuuden säätäminen avaa mielenkiintoisia uusia mahdollisuuksia pintojen ominaisuuksien hallintaan. Pinnan kastuvuus määräytyy pinnan rakenteesta ja kemiasta, ja näiden ominaisuuksien ymmärtäminen on tärkeää sekä perustutkimuksessa että teollisissa sovelluksissa. Nanopartikkeleita käytetään usein toiminnallisten ja hallitusti kastuvien pintojen aikaansaamiseksi. Tässä työssä on tarkasteltu nanopartikkelipinnoitetun paperin ja kartongin fysikaalis-kemiallisia pintaominaisuuksia, jotka selittävät havaittuja muutoksia pinnan kastuvuudessa. Toiminnalliset pinnat säädettävillä kastuvuusominaisuuksilla valmistettiin nesteliekkiruiskutus (LFS) nanopartikkelipinnoituksella rullalta rullalle-menetelmällä. TiO2-nanopartikkelipäällystys saa aikaan superhydrofobisen pinnan, jonka veden kontaktikulma on suurempi kuin 160°. Toisaalta SiO2-nanopartikkelipäällystys muuttaa pinnan hyvin hydrofiiliseksi, veden kontaktikulman ollessa vain 21°. Pinnan superhydrofobisuus tai hydrofiilisyys riippuu nanopartikkelipinnan rakenteesta ja pintakemiasta kuten pinnan hapettumisasteesta ja hiilipitoisuudesta. TiO2-nanopartikkelipinnoitetun kartonkipinnan kastumista voidaan säätää superhydrofobisen ja hydrofiilisen välillä. Pinnan hydrofiilisyys saadaan aikaan UVA-valolla, kun taas superhydrofobinen pinta voidaan palauttaa korkeassa lämpötilassa uunissa. Tämän työn tavoitteena oli selvittää, millaisia muutoksia TiO2-nanopartikkelipäällystetyn pinnan kemiassa tapahtuu UVA-valon ja lämpökäsittelyn vaikutuksesta. Työssä tarkasteltiin myös pinnan mekaanisen hankauksen ja kokoonpuristuksen vaikutusta toiminnallisiin ominaisuuksiin. Työssä saavutetut tulokset auttavat ymmärtämään LFS-nanopartikkelipäällystettyjen pintojen soveltuvuutta paperiin liittyvissä sovelluksissa. Nanopartikkelipäällystettyjen pintojen stabiilius ulkoisten voimien alaisena on tärkeää toiminnallisten päällystysten ympäristö-, terveys- ja turvallisuusnäkökulmia tarkasteltaessa.

Deoxygenation of fatty acids for production of fuels and chemicals

The decreasing fossil fuel resources combined with an increasing world energy demand has raised an interest in renewable energy sources. The alternatives can be solar, wind and geothermal energies, but only biomass can be a substitute for the carbon–based feedstock, which is suitable for the production of transportation fuels and chemicals. However, a high oxygen content of the biomass creates challenges for the future chemical industry, forcing the development of new processes which allow a complete or selective oxygen removal without any significant carbon loss. Therefore, understanding and optimization of biomass deoxygenation processes are crucial for the future bio–based chemical industry. In this work, deoxygenation of fatty acids and their derivatives was studied over Pd/C and TiO2 supported noble metal catalysts (Pt, Pt–Re, Re and Ru) to obtain future fuel components. The 5 % Pd/C catalyst was investigated in semibatch and fixed bed reactors at 300 °C and 1.7–2 MPa of inert and hydrogen–containing atmospheres. Based on extensive kinetic studies, plausible reaction mechanisms and pathways were proposed. The influence of the unsaturation in the deoxygenation of model compounds and industrial feedstock – tall oil fatty acids – over a Pd/C catalyst was demonstrated. The optimization of the reaction conditions suppressed the formation of by–products, hence high yields and selectivities towards linear hydrocarbons and catalyst stability were achieved. Experiments in a fixed bed reactor filled with a 2 % Pd/C catalyst were performed with stearic acid as a model compound at different hydrogen–containing gas atmospheres to understand the catalyst stability under various conditions. Moreover, prolonged experiments were carried out with concentrated model compounds to reveal the catalyst deactivation. New materials were proposed for the selective deoxygenation process at lower temperatures (~200 °C) with a tunable selectivity to hydrodeoxygenation by using 4 % Pt/TiO2 or decarboxylation/decarbonylation over 4 % Ru/TiO2 catalysts. A new method for selective hydrogenation of fatty acids to fatty alcohols was demonstrated with a 4 % Re/TiO2 catalyst. A reaction pathway and mechanism for TiO2 supported metal catalysts was proposed and an optimization of the process conditions led to an increase in the formation of the desired products.

Talousvesilaitoksen saostusvaiheen tehostaminen esihapetuksella – Case Suomen Sokeri Oy:n vedenkäsittely

Diplomityö tehtiin Suomen Sokeri Oy:n vesilaitokselle Vihreän Kemian laboratoriossa. Prosessia tarkasteltiin saostuksen osalta ja tavoitteena oli sen kehittäminen esihapetusmenetelmän tai saostuskemikaalin vaihdon avulla. Tarkastelu tehtiin orgaanisen, kiintoaineksen ja metallien poiston, desinfiointitehon sekä ympäristöystävällisyyden osalta. Potentiaalisia esihapetusmenetelmiä (kaliumpermanganaatti, vetyperoksidi, valokemiallinen, H2O2/UV, valokatalyyttinen, TiO2/UV, H2O2/ultraääni sekä esihapetus peretikkahapolla) tarkasteltiin eri pitoisuuksilla ja tehoilla laboratoriomittakaavassa jar-testin avulla. Saostustehoa testattiin alumiinikloridilla ja ferrisulfaatilla. Raakaveden laadun muutoksia eri vaiheissa seurattiin laboratorioanalyysein. Hapetusmenetelmien desinfiointiteho, vaikutukset syanobakteereihin ja -toksiineihin sekä reaktioissa syntyvät sivutuotteet kartoitettiin teorian perusteella. Työn tuloksien perusteella kaliumpermanganatti, vetyperoksidi erityisesti kehittyneenä hapetustekniikkana sekä valokatalyyttinen menetelmä tehostivat vedenkäsittelyä, mutta koska TiO2/UV- tai ultraäänihapetukselle ei ole vielä olemassa kaupallista sovellusta laitosmittakaavassa niin suositeltavat menetelmät ovat KMnO4- ja H2O2(/UV)-hapetukset jatkotutkimussuositukset huomioiden. Peretikkahappo ei tämän tutkimuksen perusteella vaikuttanut suositeltavalta hapetusmenetelmältä, mutta sen sijaan teorian perusteella potentiaaliselta desinfektioaineelta myös talousvedenpuhdistukseen. Opinnäytetyötä eri hapetusmenetelmien osalta talousvedelle ei ole aiemmin tehty eikä peretikkahappohapetuksesta ole laajalti aiempaa tutkimustietoa. Kokeellisen osuuden tulokset antavat uutta tietoa menetelmien soveltuvuudesta vastaaville laitoksille.

Synthesis and characterization of nanoperforated metal oxide thin films

For advanced devices in the application fields of data storage, solar cell and biosensing, one of the major challenges to achieve high efficiency is the fabrication of nanopatterned metal oxide surfaces. Such surfaces often require both precise structure at the nanometer scale and controllable patterned structure at the macro scale. Nowadays, the dominating candidates to fabricate nanopatterned surfaces are the lithographic technique and block-copolymer masks, most of which are unfortunately costly and inefficient. An alternative bottom-up approach, which involves organic/inorganic self-assembly and dip-coating deposition, has been studied intensively in recent years and has proven to be an effective technique for the fabrication of nanoperforated metal oxide thin films. The overall objective of this work was to optimize the synthesis conditions of nanoperforated TiO2 (NP-TiO2) thin films, especially to be compatible with mixed metal oxide systems. Another goal was to develop fabrication and processing of NP-TiO2 thin films towards largescale production and seek new applications for solar cells and biosensing. Besides the traditional dip-coating and drop-casting methods, inkjet printing was used to prepare thin films of metal oxides, with the advantage of depositing the ink onto target areas, further enabling cost-effective fabrication of micro-patterned nanoperforated metal oxide thin films. The films were characterized by water contact angle determination, Atomic Force Microscopy, Scanning Electron Microscopy, X-ray Photoelectron Spectroscopy and Grazing Incidence XRay Diffraction. In this study, well-ordered zinc titanate nanoperforated thin films with different Zn/Ti ratios were produced successfully with zinc precursor content up to 50 mol%, and the dominating phase was Zn2Ti3O8. NP-TiO2 structures were also obtained by a cost-efficient means, namely inkjet printing, at both ambient temperature and 60 °C. To further explore new biosensing applications of nanoperforated oxide thin films, inkjet printing was used for the fabrication of both continuous and patterned polymeric films onto NP-TiO2 and perfluorinated phosphate functionalized NP-TiO2 substrates, respectively. The NP-TiO2 films can be also functionalized with a fluoroalkylsilane, resulting in hydrophobic surfaces on both titania and silica. The surface energy contrast in the nanoperforations can be tuned by irradiating the films with UV light, which provides ideal model systems for wettability studies.

Hydrogen Sensor Application of Anodic Titanium Oxide Nanostructures

Hydrogen (H2) fuel cells have been considered a promising renewable energy source. The recent growth of H2 economy has required highly sensitive, micro-sized and cost-effective H2 sensor for monitoring concentrations and alerting to leakages due to the flammability and explosiveness of H2 Titanium dioxide (TiO2) made by electrochemical anodic oxidation has shown great potential as a H2 sensing material. The aim of this thesis is to develop highly sensitive H2 sensor using anodized TiO2. The sensor enables mass production and integration with microelectronics by preparing the oxide layer on suitable substrate. Morphology, elemental composition, crystal phase, electrical properties and H2 sensing properties of TiO2 nanostructures prepared on Ti foil, Si and SiO2/Si substrates were characterized. Initially, vertically oriented TiO2 nanotubes as the sensing material were obtained by anodizing Ti foil. The morphological properties of tubes could be tailored by varying the applied voltages of the anodization. The transparent oxide layer creates an interference color phenomena with white light illumination on the oxide surface. This coloration effect can be used to predict the morphological properties of the TiO2 nanostructures. The crystal phase transition from amorphous to anatase or rutile, or the mixture of anatase and rutile was observed with varying heat treatment temperatures. However, the H2 sensing properties of TiO2 nanotubes at room temperature were insufficient. H2 sensors using TiO2 nanostructures formed on Si and SiO2/Si substrates were demonstrated. In both cases, a Ti layer deposited on the substrates by a DC magnetron sputtering method was successfully anodized. A mesoporous TiO2 layer obtained on Si by anodization in an aqueous electrolyte at 5°C showed diode behavior, which was influenced by the work function difference of Pt metal electrodes and the oxide layer. The sensor enabled the detection of H2 (20-1000 ppm) at low operating temperatures (50–140°C) in ambient air. A Pd decorated tubular TiO2 layer was prepared on metal electrodes patterned SiO2/Si wafer by anodization in an organic electrolyte at 5°C. The sensor showed significantly enhanced H2 sensing properties, and detected hydrogen in the range of a few ppm with fast response/recovery time. The metal electrodes placed under the oxide layer also enhanced the mechanical tolerance of the sensor. The concept of TiO2 nanostructures on alternative substrates could be a prospect for microelectronic applications and mass production of gas sensors. The gas sensor properties can be further improved by modifying material morphologies and decorating it with catalytic materials.