Effect of Electrolyte Conductivity on the Formation of a Nano Tubular

8/6/2019 Effect of Electrolyte Conductivity on the Formation of a Nano Tubular

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J o u r n a l o f t h e K o r e a n P h y s i c a l S o c i e t y , V o l . 5 4 , N o . 3 , M a r c h 2 0 0 9 , p p . 1 0 2 7 $ 1 0 3 1

E e c t o f E l e c t r o l y t e C o n d u c t i v i t y o n t h e F o r m a t i o n o f a N a n o t u b u l a r

T i O

2

P h o t o a n o d e f o r a D y e - S e n s i t i z e d S o l a r C e l l

K i y o u n g L e e , J i y o u n g K i m , H y e y o u n g K i m , Y u j i n L e e a n d Y o n g s u g T a k

£

D e p a r t m e n t o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g , I n h a U n i v e r s i t y , I n c h e o n 4 0 2 - 0 2 0

D o o h u n K i m a n d P a t r i k S c h m u k i

D e p a r t m e n t o f M a t e r i a l S c i e n c e , U n i v e r s i t y o f E r l a n g e n - N u r e m b e r g , E r l a n g e n , G e r m a n y

( R e c e i v e d 1 6 J u n e 2 0 0 8 )

O r d e r e d T i O

2

n a n o t u b e a r r a y s c a n b e p r e p a r e d b y a n o d i z i n g o f T i m e t a l . H o w e v e r , t h e

n a n o t u b u l a r T i O

2

s t r u c t u r e s h o w s a l a c k o f r e p r o d u c i b i l i t y w h e n t h e T i m e t a l i s r e p e t i t i v e l y

a n o d i z e d i n a p r e p a r e d s o l u t i o n . T h e T i O

2

t u b e l e n g t h i n c r e a s e s a s t h e n u m b e r o f a n o d i z a t i o n s

i n c r e a s e s . I n t h i s w o r k , t h e e e c t s o f t h e s o l u t i o n c o n d u c t i v i t y a n d t e m p e r a t u r e o n t h e f o r m a t i o n

o f t h e n a n o t u b u l a r T i O

2

s t r u c t u r e w e r e a n a l y z e d u s i n g t h e m e a s u r e d c u r r e n t t r a n s i e n t s a n d

t u b e m o r p h o l o g y . N a n o t u b u l a r T i O

2

w a s t e s t e d a s a n a n o d e f o r a d y e - s e n s i t i z e d s o l a r c e l l a n d

i t s p e r f o r m a n c e w a s i n t e r p r e t e d u s i n g e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y i n r e l a t i o n t o a

m o r p h o l o g i c a l s t u d y o f t h e T i O

2

s t r u c t u r e .

P A C S n u m b e r s : 8 2 . 4 5 . + z , 6 1 . 4 3 . G t , 8 4 . 6 0 . J t , 8 1 . 6 5 . M g

K e y w o r d s : A n o d i z i n g , T i s u r f a c e t r e a t m e n t , D S S C , E l e c t r o c h e m i c a l a n a l y s i s , T i O

2

n a n o t u b e

I . I N T R O D U C T I O N

P h o t o v o l t a i c s y s t e m s a r e p r o m i s i n g a l t e r n a t i v e e n e r g y

s o u r c e s b e c a u s e t h e y p r o d u c e e l e c t r i c i t y d i r e c t l y f r o m

l i g h t . I n o r d e r f o r m a t e r i a l s t o b e u s e d a s a p h o t o a n o d e ,

t h e y s h o u l d h a v e a h i g h s u r f a c e a r e a t o a b s o r b m a x i -

m u m l i g h t a n d t o e e c t i v e l y u t i l i z e t h e a b s o r b e d e n e r g y

t o p r o d u c e m a x i m u m e l e c t r o n - h o l e p a i r s [ 1 { 3 ] . T i O

2

i s

a n a t t r a c t i v e m a t e r i a l a s a p h o t o c a t a l y s t [ 4 ] , b i o s e n s o r s

[ 5 ] , e l e c t r o c h r o m i c s [ 6 ] a n d e s p e c i a l l y d y e - s e n s i t i z e d s o l a r

c e l l s ( D S S C ) [ 7 , 8 ] . S i n c e t h e b a n d g a p e n e r g y o f T i O

2

i s

$ 3 . 2 e V , T i O

2

f o r m s e l e c t r o n - h o l e p a i r s b e l o w 4 0 0 n m i n

w a v e l e n g t h . R u - b a s e d d y e - c h e m i s o r b e d T i O

2

i s k n o w n

t o b e s e n s i t i z e d u n d e r v i s i b l e l i g h t . T i O

2

c a n b e e a s i l y

p r e p a r e d i n a n a n o t u b u l a r s h a p e , w h i c h h a s a h i g h a s p e c t

r a t i o a n d a l a r g e s u r f a c e a r e a [ 9 ] , b y u s i n g e l e c t r o c h e m -

i c a l a n o d i z a t i o n o f T i m e t a l . I t c a n b e p r e p a r e d w i t h

d i e r e n t m e t h o d s , s u c h a s s o l - g e l [ 1 0 ] , d e p o s i t i o n [ 1 1 ]

a n d h y d r o t h e r m a l s y n t h e s i s [ 1 2 ] m e t h o d s . H o w e v e r , t h e

a n o d i z a t i o n m e t h o d h a s s e v e r a l a d v a n t a g e s o v e r o t h e r

m e t h o d s : t h e f o r m a t i o n o f h i g h l y o r d e r e d n a n o t u b e a r -

r a y [ 1 3 , 1 4 ] , a l o w t e m p e r a t u r e a n d a s i m p l e e x p e r i m e n t a l

a p p a r a t u s .

S i n c e t h e s u r f a c e a r e a i s a n i m p o r t a n t f a c t o r i n D S S C ,

t h e e c i e n c y o f D S S C c a n b e i n c r e a s e d w i t h a l o n g e r

£

E - m a i l : y s t a k @ i n h a . a c . k r ; F a x : + 8 2 - 3 2 - 8 6 6 - 0 5 8 7

t u b e t h a t c a n a d s o r b m o r e d y e , w h i c h i s a n e l e c t r o n

s o u r c e f o r D S S C [ 1 5 ] . I f h i g h l y - o r d e r e d l o n g n a n o t u b e s

a r e t o b e f a b r i c a t e d , a n o r g a n i c e l e c t r o l y t e c o n t a i n i n g

H F c a n b e u s e d [ 1 6 ] . T h e s u g g e s t e d m e c h a n i s m o f n a n -

o t u b u l a r T i O

2

f o r m a t i o n i s [ 1 4 ]

T i + 2 H

2

O 3 T i O

2

+ 4 H

+

+ 4 e

; ( 1 )

T i O

2

+ 6 H F 3 [ T i F

6

]

2

+ 2 H

2

O + 2 H

+

( 2 )

T i O

2

t u b e s c a n g r o w u p t o 5 0 0 n m i n a H F - b a s e d a q u e -

o u s e l e c t r o l y t e b e c a u s e t h e c h e m i c a l d i s s o l u t i o n o f T i O

2

t a k e s p l a c e v e r y r a p i d l y [ 9 ] . A n o r g a n i c e l e c t r o l y t e ,

w h i c h l a c k s o x y g e n , i s u n f a v o r a b l e t o f o r m T i O

2

b e c a u s e

c h e m i c a l d i s s o l u t i o n o f t h e o x i d e i s r e t a r d e d b y t h e h y -

d r o u o r i c a c i d . T h i s r e s u l t s i n l o n g e r T i O

2

n a n o t u b e s

i n a n o r g a n i c e l e c t r o l y t e t h a n i n a n a q u e o u s e l e c t r o l y t e

[ 1 5 ] . T h e t u b e l e n g t h i s a l s o a e c t e d b y o t h e r f a c t o r s ,

s u c h a s t h e p H a n d t h e c o n c e n t r a t i o n p r o l e i n s i d e t h e

t u b e s [ 1 4 , 1 7 ] , t h e a p p l i e d p o t e n t i a l , t h e a n o d i z i n g t i m e

a n d t h e u o r i d e c o n c e n t r a t i o n [ 1 8 ] .

I n t h i s w o r k , w e i n v e s t i g a t e d t h e e e c t o f t h e a n o d i z -

i n g s o l u t i o n ' s c o n d u c t i v i t y a n d t e m p e r a t u r e o n t h e f o r -

m a t i o n o f n a n o t u b u l a r T i O

2

s t r u c t u r e s i n a H F - b a s e d

e t h y l e n e - g l y c o l s o l u t i o n t o a p p l y t h e m a s a p h o t o a n o d e

f o r a d y e - s e n s i t i z e d s o l a r c e l l . T h e e e c t o f a n a n o t u b u -

l a r T i O

2

s t r u c t u r e o n t h e p e r f o r m a n c e o f D S S C w a s a n -

a l y z e d u s i n g e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y .

- 1 0 2 7 -



- 1 0 2 8 - J o u r n a l o f t h e K o r e a n P h y s i c a l S o c i e t y , V o l . 5 4 , N o . 3 , M a r c h 2 0 0 9

F i g . 1 . V a r i a t i o n o f t h e t u b e l e n g t h a n d t h e s o l u t i o n c o n -

d u c t i v i t y w i t h t h e i t e r a t i v e n u m b e r o f a n o d i z a t i o n s [ a n o d i z a -

t i o n t e m p e r a t u r e : 2 0

C ] .

I I . E X P E R I M E N T S A N D D I S C U S S I O N

T i f o i l s ( 0 . 1 2 7 m m , 9 9 . 7 % p u r i t y , A l d r i c h ) w e r e

c l e a n e d b y s o n i c a t i n g i n a m i x e d s o l u t i o n o f i s o p r o p a n o l ,

m e t h a n o l a n d a c e t o n e . T h e a n o d i z i n g s o l u t i o n w a s p r e -

p a r e d w i t h a 0 . 2 - M H F e t h y l e n e - g l y c o l s o l u t i o n . T h e

c o n d u c t i v i t y o f t h e a n o d i z a t i o n s o l u t i o n w a s m e a s u r e d

w i t h a c o n d u c t i v i t y m e t e r ( K y o t o e l e c t r o n i c C O . , L T D ,

C M - 1 1 5 ) . A n a n o d i z i n g p o t e n t i a l o f 1 2 0 V w a s a p p l i e d

f o r 2 h ( A g i l e n t , 6 0 3 5 A ) a n d t h e a c c o m p a n y i n g c u r -

r e n t t r a n s i e n t w a s m o n i t o r e d w i t h a d i g i t a l m u l t i m e t e r

( K e i t h l e y , m o d e l 2 0 0 0 ) . T h e T i O

2

n a n o t u b u l a r s t r u c -

t u r e i s i n c o n s i s t e n t w i t h i n c r e a s i n g n u m b e r o f s u c c e s s i v e

i t e r a t i o n s o f a n o d i z a t i o n i n t h e s a m e s o l u t i o n . T h e v a r i -

a t i o n i n t h e s o l u t i o n c o n d u c t i v i t y w a s t h o u g h t t o i n u -

e n c e t h e s t r u c t u r e o f t h e n a n o t u b e . I n o r d e r t o i n v e s t i -

g a t e t h e e e c t o f t h e s o l u t i o n ' s c o n d u c t i v i t y o n t h e T i O

2

m o r p h o l o g y , w e s u c c e s s i v e l y i t e r a t e d a n o d i z a t i o n i n t h e

s a m e s o l u t i o n a t 2 0

C a n d w e m e a s u r e d t h e s o l u t i o n ' s

c o n d u c t i v i t y .

T w o d i e r e n t s o l u t i o n s , 4 0 S / c m a n d 8 0 S / c m a t

2 0

C , w e r e s e l e c t e d a s a n o d i z i n g s o l u t i o n s . T h e e f -

f e c t o f a n o d i z i n g t e m p e r a t u r e ( 0

C , 1 0

C , 2 0

C

a n d 3 0

C ) o n t h e t u b e m o r p h o l o g y w a s i n v e s t i g a t e d

i n t h e t w o s o l u t i o n s . T h e t e m p e r a t u r e w a s c o n -

t r o l l e d b y u s i n g a t h e r m o s t a t ( L a b . C o m p a n i o n , R W -

1 0 4 0 G ) . A n o d i z e d T i f o i l s w e r e a n n e a l e d a t 4 5 0

C

f o r 2 h i n a i r . T h e m o r p h o l o g y o f t h e T i O

2

n a n -

o t u b e s w a s a n a l y z e d w i t h a e l d - e m i s s i o n s c a n n i n g e l e c -

t r o n m i c r o s c o p e ( H i t a c h i , F E - S E M S - 4 3 0 0 ) . T h e a n -

n e a l e d T i O

2

n a n o t u b e s w e r e s o a k e d i n 3 0 0 - M c i s - b i s

( i s o t h i o c y a n a t o ) b i s ( 2 , 2 ' - b i p y r i d y l - 4 , 4 ' - d i c a r b o x y l a t o ) -

r u t h e n i u m ( I I ) b i s - t e t r a b u t y l a m m o n i u m ( N 7 1 9 ) d y e ( S o -

l a r o n i x ) i n e t h a n o l f o r a d a y . T h e p h o t o e l e c t r o c h e m i c a l

b e h a v i o r o f t h e s p e c i m e n w a s m e a s u r e d i n a m e t h o x y a c e -

t o n i t r i l e s o l u t i o n c o n t a i n i n g 0 . 6 - M 1 - h e x y l - 2 , 3 - d i m e t h y l -

i m i d a z o l i u m i o d i d e , 0 . 0 5 - M I

2

, 0 . 1 - M L i I a n d 0 . 5 - M 4 -

F i g . 2 . C u r r e n t t r a n s i e n t s m e a s u r e d d u r i n g a n o d i z a t i o n

a t d i e r e n t t e m p e r a t u r e s [ c o n d u c t i v i t y o f b a s i c a n o d i z a t i o n

s o l u t i o n : 8 0 S / c m ] .

t e r t - b u t y l p y r i d i n e . T h e e l e c t r o d e a r e a w a s 1 c m ¢ 1 c m

a n d P t s p u t t e r e d o n t o I T O g l a s s w a s u s e d a s a c o u n t e r

e l e c t r o d e . T h e p h o t o c u r r e n t ( J ) - p h o t o v o l t a i c ( V ) p e r -

f o r m a n c e o f a T i O

2

n a n o t u b e a s a n a n o d e f o r D S S C

w a s m e a s u r e d w i t h a s o l a r s i m u l a t o r t h a t c o n s i s t e d o f

a l i g h t s o u r c e ( S A N - E L e l e c t r o n i c s C o . , X E S 3 0 1 S ) a n d

a s o u r c e m e t e r ( K e i t h l y , m o d e l 2 4 0 0 ) . T h e l i g h t w a s

i l l u m i n a t e d f r o m t h e b a c k s i d e . T h e e l e c t r o c h e m i c a l b e -

h a v i o r s o f t h e D S S C w e r e a n a l y z e d w i t h e l e c t r o c h e m i c a l

i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y ( Z a h a n e r , I M - 6 ) .

F i g u r e 1 s h o w s t h a t t h e c o n d u c t i v i t y o f t h e e l e c t r o l y t e

i n c r e a s e s a l m o s t l i n e a r l y w i t h i n c r e a s i n g n u m b e r o f a n -

o d i z a t i o n s . I t a l s o i n d i c a t e s t h a t a h i g h e r c o n d u c t i v i t y

r e s u l t s i n a n i n c r e a s e d T i O

2

n a n o t u b e l e n g t h u n d e r t h e

s a m e a n o d i z i n g c o n d i t i o n s . A n e l e c t r o l y t e w i t h a h i g h e r

c o n d u c t i v i t y r e d u c e s t h e s o l u t i o n O h m i c d r o p , i R

c e l l

,

d u r i n g a n o d i z a t i o n a n d i n d u c e s a h i g h e r o v e r p o t e n t i a l ,

, f o r t h e T i O

2

f o r m a t i o n a t p o t e n t i o s t a t i c a n o d i z a t i o n

b e c a u s e = 1 2 0 V E

e q

j i R

c e l l

j w h e n t h e a p p l i e d

p o t e n t i a l i s 1 2 0 V i n a n e l e c t r o l y t e s c e l l .

F i g u r e 2 s h o w s t h e v a r i a t i o n i n t h e m e a s u r e d c u r r e n t

t r a n s i e n t s w i t h t e m p e r a t u r e d u r i n g p o t e n t i o s t a t i c a n -

o d i z a t i o n a t 1 2 0 V . T h e s o l u t i o n ' s c o n d u c t i v i t y w a s 8 0

S / c m a t 2 0

C . A s t h e t e m p e r a t u r e w a s i n c r e a s e d , t h e

p e a k c u r r e n t d e n s i t y i n c r e a s e d , b u t t h e t i m e t o r e a c h a

s t e a d y - s t a t e c u r r e n t v a l u e d e c r e a s e d . T h e i n i t i a l c u r r e n t

r i s e i s m a i n l y d u e t o t h e a n o d i c T i O

2

l m f o r m a t i o n ,

w h i c h r e t a r d s t h e s u b s e q u e n t l m g r o w t h b y i t s h i g h

e l e c t r i c a l - r e s i s t a n c e , s o a d e c r e a s e i n t h e c u r r e n t e n s u e s .

S i m u l t a n e o u s l y , T i O

2

s t a r t s t o d i s s o l v e b y t h e r e a c t i o n i n

E q . ( 2 ) . W h e n t h e c u r r e n t r e a c h e s a s t e a d y - s t a t e v a l u e ,


2

i s f o r m e d a n d s t a r t s t o g r o w . A t a 3 0

C a n o d i z a t i o n , f a s t g r o w t h a n d d i s s o l u t i o n o f T i O

2

l m

i n d u c e s a h i g h p e a k c u r r e n t d e n s i t y , t h e s h o r t e s t t r a n s i -

t i o n t i m e a n d t h e h i g h e s t s t e a d y - s t a t e c u r r e n t d e n s i t y .

F i g u r e 3 s h o w s t h e e e c t o f t h e s o l u t i o n ' s c o n d u c t i v i t y

o n t h e c u r r e n t t r a n s i e n t d u r i n g a n o d i z a t i o n . T h e s o l u -



E e c t o f E l e c t r o l y t e C o n d u c t i v i t y o n t h e F o r m a t i o n o f a N a n o t u b u l a r ¡ ¡ ¡ { K i y o u n g L e e e t a l . - 1 0 2 9 -

F i g . 3 . E e c t o f t h e s o l u t i o n c o n d u c t i v i t y o n t h e i n c i p i e n t

c u r r e n t t r a n s i e n t s d u r i n g a n o d i z a t i o n [ a n o d i z a t i o n t e m p e r a -

t u r e : 2 0

C ] .

F i g . 4 . C r o s s - s e c t i o n a l i m a g e s o f a n o d i z e d T i O

2

n a n o t u b e s

p r e p a r e d a t d i e r e n t s o l u t i o n c o n d u c t i v i t i e s : ( a ) 4 0 S / c m

a n d ( b ) 8 0 S / c m .

t i o n w a s p r e p a r e d a t 2 0

C . L o w e r c o n d u c t i v i t y i n c r e a s e s

t h e O h m i c d r o p i n t h e r e a c t i o n i n E q . ( 2 ) a n d c a u s e s a

d e c r e a s e i n t h e o v e r p o t e n t i a l f o r T i O

2

f o r m a t i o n , w h i c h

r e s u l t s i n a s l o w g r o w t h o f T i O

2

n a n o t u b e . I t a l s o d e -

c r e a s e s t h e d i s s o l u t i o n o f t h e a n o d i z e d l m , s o t h e t r a n s i -

t i o n t i m e t o r e a c h a s t e a d y - s t a t e c u r r e n t i n c r e a s e s . F i g -

u r e 4 s h o w s c r o s s - s e c t i o n a l i m a g e s o f t h e a n o d i z e d l m

a n d i n d i c a t e s a v e r a g e l m g r o w r a t e s o f 0 . 1 2 7 m / m i n a t

4 0 S / c m a n d 0 . 2 2 9 m m i n a t 8 0 S / c m . T h e e e c t o f

t h e s o l u t i o n ' s c o n d u c t i v i t y o n t h e t u b e g r o w t h b e c o m e s

F i g . 5 . E e c t o f t h e a n o d i z a t i o n t e m p e r a t u r e o n t h e t u b e

l e n g t h a t d i e r e n t s o l u t i o n c o n d u c t i v i t i e s .

F i g . 6 . T o p s u r f a c e i m a g e s o f a n o d i z e d T i O

2

n a n o t u b e s a t

d i e r e n t s o l u t i o n c o n d u c t i v i t i e s : ( a ) 4 0 S / c m a n d ( b ) 8 0

S / c m .

m o r e e v i d e n t a t a h i g h e r a n o d i z a t i o n t e m p e r a t u r e , a s

s h o w n i n F i g u r e 5 .

F i g u r e 6 s h o w s a t o p v i e w o f a T i O

2

n a n o t u b u l a r l m .

A b e r - l i k e s t r u c t u r e w a s f o u n d l o c a l l y a t a l o w s o l u t i o n

c o n d u c t i v i t y , b u t a t u b u l a r T i O

2

s t r u c t u r e i s o b s e r v e d

a t a h i g h s o l u t i o n c o n d u c t i v i t y . A s t h e a n o d i z a t i o n t e m -

p e r a t u r e w a s i n c r e a s e d , t h e t u b e ' s d i a m e t e r i n c r e a s e d ,

b u t t h e t u b e ' s w a l l t h i c k n e s s d e c r e a s e d , a s i n d i c a t e d i n

T a b l e 1 . T h e T i O

2

n a n o t u b u l a r s t r u c t u r e w a s p a r t i a l l y

c l e a v e d i n t o n a n o w i r e s b y a t h i n n i n g o f t h e w a l l a t a n



- 1 0 3 0 - J o u r n a l o f t h e K o r e a n P h y s i c a l S o c i e t y , V o l . 5 4 , N o . 3 , M a r c h 2 0 0 9

T a b l e 1 . T i O

2

n a n o t u b e d i a m e t e r a n d w a l l t h i c k n e s s a t

d i e r e n t a n o d i z i n g t e m p e r a t u r e s ( E l e c t r o l y t e c o n d u c t i v i t y =

8 0 S / c m a t 2 0

C ) .

A n o d i z i n g t e m p e r a t u r e

0

C 1 0

C 2 0

C 3 0

C

T u b e

7 1 . 4 1 4 0 . 4 1 9 5 . 3 2 6 5 . 9

d i a m e t e r ( n m )

T u b e w a l l

3 6 . 2

3 2 . 9 1 9 . 8 1 6 . 0

t h i c k n e s s ( n m )

F i g . 7 . J - V c u r v e f o r a T i O

2

p h o t o a n o d e i n D S S C [ a n -

o d i z a t i o n t e m p e r a t u r e = 1 0

C ; c o n d u c t i v i t y = 8 0 S / c m ] .

F i g . 8 . E e c t o f t h e a n o d i z a t i o n t e m p e r a t u r e o n t h e e -

c i e n c y o f D S S C w i t h a T i O

2

p h o t o a n o d e .

a n o d i z a t i o n t e m p e r a t u r e o f 3 0

C .

A n e l e c t r o c h e m i c a l l y - p r e p a r e d T i O

2

n a n o t u b u l a r l m

w a s u s e d a s a p h o t o a n o d e f o r a d y e - s e n s i t i z e d s o l a r c e l l .

F i g u r e 7 s h o w s t h e p h o t o c u r r e n t v e r s u s c e l l p o t e n t i a l ,

w h i c h e x h i b i t s a J

s c

o f 7 . 8 9 m A / c m

2

a n d a V

o c

o f 0 . 6 7 V

F i g . 9 . I m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y o f D S S C u s i n g a n o d i z e d

T i O

2

n a n o t u b e s p r e p a r e d a t d i e r e n t a n o d i z i n g s o l u t i o n c o n -

d u c t i v i t i e s . T h e T i O

2

t u b e s w e r e p r e p a r e d a t 1 0

C a n d t h e

f r e q u e n c y w a s v a r i e d f r o m 5 0 m H z t o 1 0 0 k H z a t o p e n c i r c u i t

v o l t a g e .

w i t h a l l f a c t o r o f 0 . 5 ; t h e h i g h e s t c e l l e c i e n c y w a s 2 . 6 4

% . F i g u r e 8 i n d i c a t e s t h a t T i O

2

p r e p a r e d a t a h i g h s o -

l u t i o n c o n d u c t i v i t y h a s a h i g h e r c e l l e c i e n c y . S i n c e t h e

c e l l e c i e n c y d e p e n d s o n t h e c h e m i s o r b e d a r e a b e t w e e n

t h e d y e a n d t h e T i O

2

a n o d e a n d o n t h e r e c o m b i n a t i o n o f

i n j e c t e d e l e c t r o n s , a l o n g e r t u b e a n d a w e l l - e s t a b l i s h e d


2

s t r u c t u r e m a y h a v e a h i g h e r e c i e n c y .

B o t h b e r - l i k e s t r u c t u r e s f o r m e d a t l o w s o l u t i o n c o n d u c -

t i v i t y a n d n a n o w i r e s t r u c t u r e s f o r m e d a t h i g h e r a n o d i z -

i n g t e m p e r a t u r e m a y f a v o r t h e r e c o m b i n a t i o n o f i n j e c t e d

e l e c t r o n s a n d d r o p t h e c e l l ' s e c i e n c y .

F i g u r e 9 s h o w s t h e e l e c t r o c h e m i c a l i m p e d a n c e s p e c -

t r o s c o p y ( E I S ) d a t a o b t a i n e d a t t h e o p e n c i r c u i t v o l t -

a g e . E I S s h o w s t h r e e s e m i c i r c l e s a n d a s e m i c i r c l e a t l o w

f r e q u e n c y ( Z

2

) i s a t t r i b u t e d t o t h e c h a r g e t r a n s f e r r e s i s -

t a n c e a t t h e a n o d e , t h e T i O

2

/ d y e / e l e c t r o l y t e i n t e r f a c e

[ 1 9 ] . T h i s i n d i c a t e s t h a t a T i O

2

p h o t o a n o d e p r e p a r e d

i n a s o l u t i o n o f 8 0 s / c m h a s a s m a l l e r c h a r g e - t r a n s f e r

r e s i s t a n c e . S i n c e t h e l o n g e r T i O

2

t u b e h a s a h i g h e r a r e a

o f c o n t a c t w i t h t h e d y e s o l u t i o n , i t r e d u c e s t h e c h a r g e -

t r a n s f e r r e s i s t a n c e a n d , c o n s e q u e n t l y , i n c r e a s e s t h e c e l l ' s

e c i e n c y .

I I I . C O N C L U S I O N S

T h e e e c t s o f t h e s o l u t i o n ' s c o n d u c t i v i t y a n d a n o d i z -

i n g t e m p e r a t u r e o n t h e f o r m a t i o n o f T i O

2

n a n o t u b e a r -

r a y s b y p o t e n t i o s t a t i c a n o d i z a t i o n w e r e i n v e s t i g a t e d . A s

t h e n u m b e r o f a n o d i z a t i o n s w a s i n c r e a s e d , t h e s o l u t i o n ' s

c o n d u c t i v i t y i n c r e a s e d l i n e a r l y , a s d i d t h e t u b e ' s l e n g t h .

T h e s u r f a c e m o r p h o l o g y i n d i c a t e d t h a t t h e t u b u l a r s t r u c -

t u r e w a s w e l l f a b r i c a t e d a t a h i g h s o l u t i o n c o n d u c t i v i t y ,

8 0 S / c m , b u t t h a t a b e r - l i k e s t r u c t u r e w a s o b s e r v e d a t



E e c t o f E l e c t r o l y t e C o n d u c t i v i t y o n t h e F o r m a t i o n o f a N a n o t u b u l a r ¡ ¡ ¡ { K i y o u n g L e e e t a l . - 1 0 3 1 -

a l o w s o l u t i o n c o n d u c t i v i t y , 4 0 S / c m . A s t h e a n o d i z a -

t i o n t e m p e r a t u r e w a s i n c r e a s e d , f a s t g r o w t h a n d d i s s o -

l u t i o n o f t h e T i O

2

l m t o o k p l a c e , w h i c h d r e w a h i g h e r

p e a k c u r r e n t d e n s i t y , t h e s h o r t e s t t r a n s i t i o n t i m e a n d t h e

h i g h e s t s t e a d y - s t a t e c u r r e n t d e n s i t y a n d w h i c h r e s u l t s i n

a n i n c r e a s e i n t h e n a n o t u b e ' s l e n g t h . A n a n o t u b u l a r

T i O

2

p h o t o a n o d e p r e p a r e d a t a h i g h s o l u t i o n c o n d u c t i v -

i t y h a d a h i g h e r e c i e n c y f o r a d y e - s e n s i t i z e d s o l a r c e l l

b e c a u s e a l o n g e r t u b e i n c r e a s e s t h e c h e m i s o r b e d a r e a b e -

t w e e n t h e d y e a n d t h e T i O

2

a n o d e a n d b e c a u s e a w e l l -

d e n e d d i s c r e t e t u b u l a r s t r u c t u r e r e d u c e s t h e c h a r g e -

t r a n s f e r r e s i s t a n c e .

A C K N O W L E D G M E N T S

T h i s w o r k w a s s u p p o r t e d b y I n h a U n i v e r s i t y R e s e a r c h

G r a n t .

R E F E R E N C E S

[ 1 ] V . S u b r a m a n i a n , I n t e r f a c e 1 6 , 3 2 ( 2 0 0 7 ) .

[ 2 ] J . - S . H u r , J . K i m , S . J a n g , J . - B . S o n g , D . B y u n , C . - S .

S o n , J . H . Y u n a n d K . H . Y o o n , J . K o r e a n P h y s . S o c .

5 3 , 4 4 2 ( 2 0 0 8 ) .

[ 3 ] B . P o s t e l s , A . K a s p r e a k , T . B u e r g e l , A . B a k i n , E .

S c h l e n k e r , H . - H . W e h m a n n a n d A . W a a g , J . K o r e a n

P h y s . S o c . 5 3 , 1 1 5 ( 2 0 0 8 ) .

[ 4 ] H . R . H o m a n n , S . T . M a r t i n , D . W . C h o i a n d D . W .

B a h n e m a n n , C h e m . R e v . 9 5 , 6 9 ( 1 9 9 5 ) .

[ 5 ] E . T o p o g l i d i s , A . E . G . C a s s , G . G i l a r d i , S . S a d e g h i ,

N . B e a u m o n t a n d J . R . D u r r a n t , A n a l . C h e m . 7 0 , 5 1 1 1

( 1 9 9 8 ) .

[ 6 ] C . B e h i n g e r , S . F e r r e r , A . Z a b a m , J . S p a r a g u e a n d B . A .

G r e g g , N a t u r e 3 8 3 , 6 0 8 ( 1 9 9 6 ) .

[ 7 ] B . O ` R e g a n a n d M . G r a t z e l , N a t u r e 3 5 3 , 7 3 7 ( 1 9 9 1 ) .

[ 8 ] T . V . C h u o n g , L . Q . T . D u n g a n d D . Q . K h i e u , J . K o r e a n

P h y s . S o c . 5 2 , 1 5 2 6 ( 2 0 0 8 ) .

[ 9 ] J . M . M a c a k , H . T s u c h i y a , A . G h i c o v a n d P . S c h u m u k i ,

E l e c t r o c h e m . C o m m 7 , 1 1 3 3 ( 2 0 0 5 ) .

[ 1 0 ] J . H . J u n g , H . K o b a y a s h i , K . J . C . v a n B o m m e l , S .

S h i n k a i a n d T . S h i m i z u , C h e m . M a t e r . 1 4 , 1 4 4 5 ( 2 0 0 2 ) .

[ 1 1 ] P . H o y e r , L a n g m u i r 1 2 , 1 4 1 1 ( 1 9 9 6 ) .

[ 1 2 ] Q . C h e n , W . Z . Z h o u , G . H . D u a n d L . H . P e n g , A d v .

M a t e r . 1 4 , 1 2 0 8 ( 2 0 0 2 ) .

[ 1 3 ] D . G o n g , C . A . G r i m e s , O . K . V a r g h e s e , W . H u , R . S .

S i n g h , Z . C h e n a n d E . C . D i c k e y , J . M a t e r . R e s . 1 6 , 3 3 3 1

( 2 0 0 1 ) .

[ 1 4 ] J . M . M a c a k , H . T s u c h i y a a n d P . S c h m u k i , A n g e w .

C h e m . I n t . E d . 4 4 , 2 1 0 0 ( 2 0 0 5 ) .

[ 1 5 ] C . N a y r a l , T . O u l d - E l y , A . M a i s o n n a t , B . C h a u d r e t , P .

F a u , L . L e s c o u z e r e s a n d A . P e y r e - L a v i g n e , A d v . M a t e r .

1 1 , 6 1 ( 1 9 9 9 ) .

[ 1 6 ] J . M . M a c a k a n d P . S c h u m u k i , E l e c t r o c h i m . A c t a . 5 2 ,

1 2 5 8 ( 2 0 0 6 ) .

[ 1 7 ] J . M . M a c a k , H . T s u c h i y a , L . T e v i r a , S . A l d a b e r g e r o v a

a n d P . S c h m u k i , A n g e w . C h e m . I n t . E d . 4 4 , 7 4 6 3 ( 2 0 0 5 ) .

[ 1 8 ] S . P . A l b u , A . G h i c o v , J . M . M a c a k a n d P . S c h m u k i ,

P h y s . S t a t . S o l . ( R R L ) 1 , R 6 5 ( 2 0 0 7 ) .

[ 1 9 ] T . H o s h i k a w a , M . Y a m a d a , R . K i k u c h i a n d K . E g u c h i ,

J . E l e c t r o a n a l . C h e m . 5 7 7 , 3 3 9 ( 2 0 0 5 ) .

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Effect of Electrolyte Conductivity on the Formation of a Nano Tubular