بخشی از مقاله
چکیده
در این کار نانوذرات اکسید تیتانیوم آلاییده با مس به نسبت مولی Cu/Ti= %1 تهیه و با طیف سنجی پراش اشعه X مورد مطالعه قرار گرفت. اندازه بلوري و کرنش شبکه از آنالیز پهناي قله به دست آمد. به منظور بررسی اثر آلایش، کرنش مربوط به نمونه آلاییده با مس و نمونه نانوذرات اکسید تیتانیوم خالص با مدل UDM که در آن بلور، همسانگرد فرض شده است، محاسبه شد. همچنین با به کارگیري مدل هاي UDSM و UDEDM که طبیعت ناهمسانگرد ثابت هاي الاستیک را در نظر می گیرد، رابطه تنش-کرنش و کرنش به صورت تابعی از انرژي براي نمونه هاي تحت آزمایش محاسبه شد. اندازه بلوري به دست آمده با مدلهاي UDM ، UDSM و UDEDM در توافق خوبی با یکدیگرند. در مطالعه مقایسه اي نمونه خالص و نمونه آلاییده با مس، افزایش کرنش با کاهش اندازه بلوري از
مقدار0/091 به 0/173 با تغییر اندازه بلورك از 24 به 13 نانومتر مشاهده شد.
مقدمه
نانوذرات دي اکسید تیتانیوم به دلیل ویژگیهاي ارزشمندي که دارند در گستره وسیعی از کاربردها از جمله رنگدانه ها، سلول هاي خورشیدي، حسگرهاي گازي، فوتو کاتالیستها و.... استفاده می
شوند. اکسید تیتانیوم در چهار ساختار بلوري آناتاس، روتایل، بروکایت و β-TiO2 یافت می شود که ساختار روتایل پایدارترین شکل ساختاري آن است. ویژگی هاي ساختاري، الکترونی، اپتیکی و مغناطیسی این ذرات تحت تاثیر نوع سنتز آن می تواند تغییر کند. از جمله محدودیت هایی که در کاربرد این ذرات ایجاد می شود گاف انرژي بزرگ این ذرات و جفت شدگی سریع الکترون- حفره در اثر فعالیت فوتوکاتالیستی است. یکی از روش هایی که می تواند به بهبود خواص فیزیکی اکسید تیتانیوم منجر شود آلایش این نانوذرات با عناصر مختلف است. آلایش با ذرات مس می تواند جذب نور در ناحیه مرئی را تا حد قابل ملاحظه اي افزایش دهد و بنابراین خواص فوتوشیمیایی اکسید تیتانیوم را بهبود ببخشد.
یکی دیگر از پارامترهایی که در ویژگی هاي فیزیکی و عملکرد این نانوذرات تاثیر دارد، اندازه نانوذرات است. روش هاي متفاوتی براي بررسی اندازه ذرات وجود دارد. از جمله می توان به تعیین اندازه ذرات بر پایه مشاهده ذرات با میکروسکوپ الکترونی عبوري و یا میکروسکوپ الکترونی روبشی اشاره کرد. علاوه بر این اندازه بلورك را می توان با استفاده از روش پراش اشعه X - XRD - نیز مورد بررسی قرار داد، به ویژه اینکه اندازه بلورك با پهناي قله هاي پراش رابطه دارد. پهناي قله پراش به این دلیل ایجاد می شود که نانوذرات تحت مطالعه با XRD ، بلور کامل که در تمام جهات به طور بی نهایت گسترش یافته باشد، نیستند، بلکه محدود به اندازه معین هستند. این انحراف از بلورینگی کامل منجر به پهن شدگی قله هاي پراش می شود. بررسی پهناي قله پراش می تواند اطلاعاتی در مورد اندازه بلور و کرنش1 شبکه بدهد. در این کار، کرنش شبکه نمونه هاي سنتز شده نانوذرات اکسید تیتانیوم در دو حالت خالص و آلاییده شده با %1 مس با روش ویلیامسون- هال - W-H - یعنی مدل UDM2 تخمین زده شد. مدل هاي دیگر مانند UDSM3 و UDEDM4 رابطه بین تنش – کرنش5 و کرنش به صورت تابعی از چگالی انرژي u را می دهند. در مدل UDM طبیعت همسانگرد بلور در نظر گرفته می شود. در حالی که در مدل هاي UDSM و UDEDM بلور در سرشت ناهمسانگرد فرض می شود. آماده سازي نمونه هاي نانوذرات TiO2 آلاییده با مس در این آزمایش نمونه هاي نانوذرات TiO2 آلاییده با مس توسط روش سل-ژل در نسبت مولی Cu/Ti =1% تهیه گردیده است. سل اولیه متشکل از Copper - II - chloride ، C12H28O4Ti - Tetraisopropyl orthotitanate - ، اتانول، citrate acid و C5H8O2 - Acetyl acetone - می باشد. مخلوط حاصل در دماي 40 oC همزده و حل شد. و سپس در دماي 120 oC به مدت 6 ساعت رفلاکس شد. ژل به دست آمده در این مرحله به طور کامل با حرارت دادن مستقیم بر روي صفحه داغ 150 oC و به مدت 1 ساعت خشک می شود. محصول حاصله ژل متخلخل سیاه- قهوه اي است که به عنوان آئروژل شناخته می شود که کوبیده و خرد و سپس در دماهاي 400 درجه سانتیگراد به مدت 1 ساعت در کوره - در مجاورت هوا - حرارت داده می شود.
مشخصه یابی نمونه ها
ساختار بلوري پودرهاي آماده شده توسط پراش پرتو ایکس - XRD - با - D8 advance Bruker - و اشعه CuKα با طول موج 0/154056nm در حالیکه 2θ از 20o تا 80o تغییر می کرد، مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج و بحث
نمونه حاوي ناخالصی مس هیچ قله پراش مس یا ترکیبات مس را نشان نمی دهد که تشکیل کامل جامد مس- تیتانیم را که در آن مشارکت یون هاي مس در داخل شبکه بلوري TiO2 و جایگزین شدن مس به دلیل شعاع یونی مشابه را پیشنهاد می کند. اندازه متوسط بلورکها توسط معادله شرر و با استفاده از معادله زیر محاسبه می شود. در این معادله λ طول موج پرتو X است و βD برابرتمام پهنا در نیم بیشینه6 است. محاسبات نشان می دهد که اندازه متوسط نانو بلورکهاي نمونه خالص برابر با 24 nm و نمونه آلاییده شده با مس حدود 13 nm است. پهن شدگی خطوط در اثر اندازه بلوري کوچک توسط معادله شرر محاسبه شده است. روش ویلیامسون و هال براي محاسبه اثر پهن شدگی به دلیل اندازه بلورك وپهن شدگی به علت نقص هاي بلوري استفاده می شود. در این روش فرض می شود که این پهن شدگی ها از یکدیگر مستقل هستند، در این روش داریم]١تا ٣[ اندازه بلوري از عرض از مبدأ برازش خطی مقادیر حسب 4sinθ و کرنش - ε - با محاسبه شیب خط برازش شده، به دست می آید. شکل 2 و 3 نمودار برازش شده براي نمونه خالص و آلاییده شده را نشان می دهد. نتایج حاصل در جدول 2 ذکر گردیده است. شیب مثبت نمایانگر این است که سیستم تحت تاثیر کرنش انبساطی7 است.
کرنش از مدل UDSM از قانون هوك که در آن تناسب خطی بین تنش و کرنش با رابطه σ = Yε در نظر گرفته می شود، نیز محاسبه می شود. در این رابطه σ تنش و Y مدول یانگ است. با اعمال تقریب قانون هوك در معادله - 2 - داریم]١ تا ٣:[ براي بلور تتراگونال مدول یانگ از رابطه - 4 - به دست می آید[4] پایاهاي نرمی S66و S44 ،S33،S13 ،S12 ، S11 که در آن الاستیک8 هستند که مقادیر مربوط به آن ها در جدول 1 آمده است.با رسم نمودار βhklcosθ بر حسب 4sinθ/Yhkl - شکل 4 و - 5، با استفاده از شیب و عرض از مبدا خط برازش شده می توان تنش و اندازه بلورك را به دست آورد. در معادله - 1 - ، طبیعت همسانگرد بلور در نظر گرفته شده است، هر چند در موارد زیادي فرض همگن و همسانگرد بودن کامل نیست. علاوه بر این همه ثابتهاي تناسب در ارتباط با رابطه تنش-کرنش هنگامی که چگالی انرژي کرنش در نظر گرفته شود، دیگر مجزا نیستند. بر طبق قانون هوك، چگالی انرژي u بر حسب تابعی از کرنش به صورت زیر است
با محاسیه شیب خط برازش شده 4sinθ - 2/Yhkl - می توان چگالی انرژي را به دست آورد - جدول . - 2 نمودارهاي مربوط به مدل UDEDM نانوذرات اکسید
