بخشی از مقاله
خلاصه:
تیتانیا یکی از بهترین فوتوکاتالیستهای شناخته شده است که میتوان با افزودن دوپکنندهها خاصیت فوتوکاتالیستی آن را بهبود بخشید. در این تحقیق ابتدا تیتانیا بر پایه فرایند سل ژل پلیمری با استفاده از مواد اولیه تترا ایزوپروکساید تیتانیوم، ایزوپروپانول، آب دییونیزه و اسیدکلریدریک تهیه شد. سپس با استفاده از نیترات سریم و در ادامه سنتز سل پلیمری تیتانیا- سریا به بررسی تاثیر افزودنی سریا بر خواص فوتوکاتالیستی تیتانیا پرداخته شد.
خواص نمونهها با استفاده از آنالیز پراش پرتو ایکس - XRD - و میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - مورد بررسی قرار گرفت. فعالیت فوتوکاتالیستی نمونههای تیتانیا و تیتانیا- سریا بر پایه میزان تخریب متیلن آبی در حضور امواج فرابنفش پس از گذشت 90 دقیقه بررسی و قابلیت جداسازی متیلن آبی از محلول با استفاده از دستگاه طیفسنجی فرابنفش - UV-VIS - تعیین شد. با توجه به نتایج بهدست آمده، نمونههای تیتانیا-سریای تهیه شده به روش پلیمری نسبت به تیتانیای خالص فعالیت فوتوکاتالیستی بهتری را از خود نشان دادند؛ بطوریکه راندمان فوتوکاتالیستی از 67/39 درصد برای تیتانیای پلیمری خالص به 81/39 برای تیتانیای پلیمری دوپشده توسط سریا با نسبت مولی سریم به تیتانیوم برابر 0/05 افزایش یافت.
.1 مقدمه
امروزه حفاظت از منابع انرژی زیستمحیطی و تجدیدپذیر به عنوان دو مبحث بسیار مهم در سطح جهان مطرح هستند. فوتوکاتالیستی یک فرایند امیدبخش است که میتواند راه رسیدن به این مهم را تا میزان قابل توجهی هموار کند. یک فوتوکاتالیست قادر است با استفاده از نور خورشید، آلودگیهای مختلف موجود در هوا، آب و سطوح را تجزیه کند و یک جهان بدون آلودگی به وجود آورد .
استفاده از دیاکسید تیتانیوم به عنوان فوتوکاتالیست به دلیل داشتن نوار ممنوعه نسبتا بزرگ و بازترکیب سریع زوج الکترون- حفره، دارای محدودیتهایی است که امروزه تلاشهای بسیاری در جهت افزایش کارایی آن در حال انجام است. بزرگی نوار ممنوعه تیتانیا موجب شده، استفاده از آن به عنوان کاتالیست تنها با جذب نور امکانپذیر باشد؛ این در حالی است که خورشید به عنوان یک منبع نور، مقدار محدودی امواج فرابنفش را شامل میشود. یک کاتالیست به منظور عملکرد توسط خورشید بایستی نور را در محدودهی مرئی جذب کند که این اتفاق میتواند با کاهش نوار ممنوعهی موادی چون تیتانیا با استفاده از دوپ کردن با کاتیون یا آنیونهای مختلف و یا با استفاده از ترکیب با سایر مواد که دارای نوار ممنوعه پایینتری هستند، حاصل شود .
تلاشهای زیادی در زمینهی دوپ کردن عناصر فلزی و غیرفلزی و همچنین دوپ همزمان چند عنصر در تیتانیا به منظور محدود کردن بازترکیب زوج الکترون- حفرههایی که توسط نور ایجادشدهاند، انجام گرفته است. بهطورکلی تیتانیای دوپ شده در مقایسه با تیتانیای خالص به علت اصلاح خواص فیزیکی و شیمیایی عملکرد بهتری در تخریب آلودگیهای آلی از خود نشان میدهد .
اخیراً مطالعات روی عناصر خاکی نادر مانند Ln، Nd، Eu و Ce ترکیب شده با تیتانیا صورت گرفته که فعالیت فوتوکاتالیستی را در محدودهی نور مرئی گزارش داده است. عناصر خاکی نادر دوپ شده با تیتانیا به علت تشکیل موقعیتهای نوار داخلی جابجایی قرمز* از خود نشان میدهند.
همچنین مطالعات نشان میدهد با افزودن عناصر خاکی نادر بازترکیب الکترون و حفره با به دام انداختن آنها و همچنین با کمک به تحرک سریعتر آنها میان سطح تیتانیا، بهطور مؤثرتری کاهش مییابد. مزیت مربوط به Ce این است که در میان 4 عنصر دیگر فراوانترین عنصر خاکی نادر است. CeO2 به دلیل رفتار اکسایش- کاهش، نواقص اکسیژن و فعالیت کاتالیستی آن بهطور گسترده در سلولهای سوختی و کاربردهای کنترل آلودگی مورد استفاده قرارگرفته است. خواص کاتالیستی CeO2 به تشکیل مکانهای ناقص Ce3+ و به دنبال آن جاهای خالی اکسیژن نسبت داده شده است .
کاتالیست سریا به علت دو ویژگی بارز در میان دیگر لانتانیدها توجه زیادی را به خود جلب کرده است:
- 1تغییر ضریب جفت با توانایی تغییر سریا بین و در شرایط متفاوت اکسایش-کاهش،
- 2تشکیل آسان جای خالی اکسیژنی با تحرک بسیار بیشتر.
علاوه بر این، ساختار الکترونی متفاوت Ce3+ با 4f15d0 و Ce4+ با 4f05d0 منجر به خواص نوری و کاتالیستی متفاوت برای CeO2 میشود .
در این تحقیق تلاش شد تا تاثیر افزودن سریا در ساختار تیتانیای سنتز شده به روش سل ژل پلیمری مورد بررسی قرار گیرد تا در صورت امکان زمینه دستیابی به نمونهای با خاصیت فوتوکاتالیستی بسیار بالا فراهم شود.
.2 فعالیتهای تجربی
در این تحقیق هر یک از سلهای تیتانیا و تیتانیا- سریا به صورت جداگانه بر پایه روش سل-ژل پلیمری آمادهسازی شدند. از تترا ایزوپروکساید تیتانیوم - TTIP, Merck S4707295 - ، ایزوپروپانول - IPA, Merck K38122334 - ، اسید کلریدریک - HCl 37%, Merck 100317 - ، نیترات سریم - Ceium Nitrat,102276 Merck - و آب دی یونیزه به عنوان مواد اولیه برای تهیه سلها استفاده شد.
- آمادهسازی سل پلیمری تیتانیا:
طرحواره تهیه سل تیتانیای پلیمری در شکل 1 آورده شده است. الکل مورد نیاز به دو قسمت تقسیم شد و به یکی تترا ایزوپروکساید تیتانیوم و به دیگری آب و اسید اضافه گردید. این دو محلول به طور جداگانه به مدت 20 دقیقه بهمنظور همگنسازی توسط همزن مغناطیسی هم زده شدند. در مرحله بعد ظرف حاوی آب، الکل و اسید بهصورت قطره قطره به ظرف حاوی الکل و تترا ایزوپروکساید تیتانیوم اضافه شد. بعد از اضافه شدن بهمنظور کامل شدن واکنش هیدرولیز و همچنین همگنسازی نهایی، سل مورد نظر به مدت 3-2 ساعت توسط همزن مغناطیسی هم زده شد تا سل پلیمری پایدار بدست آید. درصد مولی مواد اولیه برای ساخت سل پلیمری تیتانیا در جدول 1 آورده شده است.
شکل -1 طرحواره آمادهسازی سل پلیمری تیتانیا
جدول-1 نسبت مولی مواد اولیه سل پلیمری تیتانیا
- آمادهسازی سل تیتانیای پلیمری دوپ شده با سریا - تیتانیا-سریا - :
در این مرحله نیترات سریم به عنوان افزودنی و با نسبتهای سریم به تیتانیوم برابر 0/05، 0/1 و 0/15 جهت تهیه سل تیتانیای دوپ شده با سریا به مواد اولیه اضافه شد. سپس محلول حاوی آب، الکل و نیترات سریم به محلول حاوی تترا ایزوپروکساید تیتانیوم و الکل بهصورت قطره قطره اضافه گردید. طرحواره تهیه سل تیتانیا- سریای پلیمری در شکل 2 آورده شده است.
