بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش، نتایج حاصل از خواص اپتیکی، ساختاری و فوتوکاتالیزوری نانو ذرات اکسید روی آلاییده شده با کبالت - ZnO:Co - تهیه شده به روش میکروموج گزارش شده است. در این روش تهیه از پلی وینیل الکل - PVA - به عنوان عامل پوششی به میزان یک سیسی استفاده شده است. برای درک ساختار و ریخت شناسی نانو ذرات از پراش اشعه ایکس - XRD - و طیف سنجی پرتو ایکس - EDX - استفاده شده است. برای بررسی رفتارهای اپتیکی نانو ذرات از طیف سنجی مرئی-فرابنفش استفاده شده است. با توجه به نتایج آنالیزها اندازه نانو ذرات از 11 تا 41 نانو متر متغیر بوده و درصد اتمی اکسیژن 41/03، روی 34/61 و کبالت 24/61 در ساختار نانو ذرات بوده است. فعالیت فوتوکاتالیزوری نانو مادهی ZnO:Co به وسیلهی سنجش میزان تخریب فوتوکاتالیستی متیلن آبی تست شده است که نتایج نشان دهنده حذف کامل آلایندهی متیلن آبی از آب در مدت زمان کمتر از دو ساعت میباشد.
کلمات کلیدی: نانو ذرات، اکسید روی آلاییده شده با کبالت، میکروموج، متیلن آبی، فوتوکاتالیست
.1 مقدمه
در سالهای اخیر دانشمندان به دلیل خواص شیمیایی و فیزیکی منحصربهفرد نانو ذرات نیمهرسانا نسبت به ذرات بزرگتر، نانو ذرات نیمهرسانا را موردتوجه قرار دادهاند. یکی از مهمترین خواص و کاربردها، خاصیت فوتوکاتالیستی نانو ساختارهای نیمهرسانا میباشد .[1] نیمهرساناها بهصورت گسترده در بررسی و مطالعه خواص فوتوکاتالیستی کاربرد دارند. نیمهرساناهای با گافهای انرژی پهن کاربردهای مهمی از قبیل کاربرد در فرایند فوتوکاتالیزوری دارند. در بین نیمهرساناها نیمهرسانای اکسید روی به دلیل خواص مناسب خود بیشتر از سایر نیمهرساناها موردتوجه قرارگرفته است. از این خواص میتوان به ارزان بودن، غیر سمی بودن، زیاد بودن در طبیعت حساسیت به نور، پایداری بالا و کاتالیزور خوب اشاره کرد .[5-2] اکسید روی یک نیمهرسانای نوع n با گاف انرژی در گسترهی 3.2 - 3.4 eV و انرژی پیوند برابر با 60 meV بوده و یک نیمهرسانای کاربردی در فعالیت فوتوکاتالیستی به خاطر دلایل ذکرشده میباشد 9-6] و .[2 علاوه بر اینکه اکسید روی یک فوتوکاتالیست خوب میباشد کاربردهای فراوان دیگری نظیر سلولهای خورشیدی، حسگرهای گازی، وسایل اپتیکی و الکتریکی را دارا میباشد .[1]
بازده فوتوکاتالیستی به انتقال مؤثر و جداسازی حاملهای بار - الکترونها و حفرهها - برانگیختهشده نوری بستگی دارد. یکی از معایب نانو ساختار اکسید روی بازترکیب شدن الکترونها و حفرههای برانگیختهشدهی نوری میباشد. کنترل بازترکیب شدن این حاملهای بار برانگیختهشده یکی از عوامل مؤثر در بالا بردن کارایی نانو ساختارها در فرایند فوتوکاتالیستی میباشد .[10] درنتیجه آلاییده شدن نانو ساختارهای اکسید روی با فلزات واسطه، خواص ساختاری، اپتیکی و ریختشناسی آن قابلتغییر میباشد. خواص نانو ساختارهای اکسید روی آلاییده شده با فلزات نیکل، منگنز و کبالت مورد مطالعه قرار گرفته است. در این میان کبالت یکی از مهمترین و مؤثرترین انواع فلزات واسطه برای آلایش اکسید روی میباشد که هم خواص اپتیکی و هم خواص ساختاری نانو ساختارهای اکسید روی را تنظیم میکند. با این کار بازترکیب شدن حاملهای بار برانگیخنه شدهی نوری کنترل شده و میزان بهره وری نانو ساختارهای اکسید روی در فرایند فوتوکاتالیستی بالا میرود .[14-11]
روشهای متنوعی برای تهیهی نانو ساختارهای اکسید روی نظیر روش میکروموج [15]، روش فراصوت [16]، روش سل-ژل 13] و [1، روش رسوب گیری شیمیایی [10]، روش واکنش فاز گازی و روش هیدروترمال وجود دارد .[4] در بین این روشها روش میکروموج به دلیل ارزان بودن، بالا بودن سرعت واکنش، سازگار بودن با محیط زیست و آلودگی کم در بین سایر روشهای فیزیکی و شیمیایی اهمیت بیشتری دارد .[15] در این کار، خواص فوتوکاتالیستی اکسید روی آلاییده شده با کبالت تهیه شده به روش میکروموج با بررسی میزان تخریب متیلن آبی از آب تحت تابش لامپهای مشخص مورد مطالعه قرار گرفته است.
.2 مواد و روشهای انجام آزمایش
.2.1 مواد و دستگاهها
در این کار از روی استات دو آبه Zn - CH3COO - 2.2H2O - ، با خلوص کوچکتر یا مساوی - %99 تهیه شده از شرکت رانکم، کبالتⅡاستات چهار آبه - CH3COO - 2Co.4H2O - ، با خلوص کوچکتر یا مساوی - %99 تهیه شده از شرکت شیمی لوبا، هیروکسید سدیم NaOH - ، با خلوص کوچکتر یا مساوی - %99 تهیه شده از شرکت مرک، متیلن آبی - C16H18CIN3S.xH2O - x=2-3 - - تهیه شده از شرکت مرک و پلی وینیل الکل - C2H4O - n - تهیه شده از شرکت شیمی لوبا استفاده شده است. ساختار بلوری نمونهها با استفاده از دستگاه پراش پرتو ایکس - Philips X Pert - مجهز به لامپ مس - - Cu-k - با طول موج - 1.54056 Å مشخص شد. به منظور تعیین خواص نوری نمونه آنالیز طیف سنجی جذبی نور مرئی-فرابنفش توسط دستگاه - Shimadzu, model 1800, Japan - انجام گرفت.
.2.2 روش تهیه نانو مواد
برای تهیه نانو ساختارهای اکسید روی آلاییده شده با کبالت محلول 0.2 مولار از روی استات دو آبه، کبالتⅡاستات چهار آبه و هیدروکسید سدیم در آب مقطر تهیه شده است. برای تهیه محلول 2.0مولار هیدروکسید سدیم، 2..0 گرم از آن در 02 میلیلیتر آب مقطر با استفاده از حمام فراصوت حل شده است. pH محلول برابر با 14 بود - محلول به رنگ آب - . برای تهیه محلول 0.2 مولار از روی استات دو آبه، 0.877 گرم از آن را در 20 میلی-لیتر آب مقطر با استفاده از حمام فراصوت حل شده که pH محلول برابر 5 بود - محلول به رنگ آب - . برای تهیه محلول 0.2 مولار از کبالتⅡاستات چهار آبه 2...0 گرم از آن در 02 میلیلیتر آب مقطر با استفاده از حمام فراصوت حل شده است که pH محلول برابر با 6 بود - محلول قرمز رنگ - .
برای ادامه کار محلول هیدروکسید سدیم و کبالتⅡاستات چهار آبه با هم بوسیله حمام فراصوت حل شد تا همگن شود - محلول آبی پررنگ - ، سپس محلول روی استات دو آبه به آنها اضافه گردید و باز هم با استفاده از حمام فراصوت حل و همگن سازی شد - محلول بنفش رنگ - . به عنوان عامل پوششی برای کنترل اندازه نانو ساختارها مقدار 1 میلی لیتر پلی وینیل الکل %5 از قبل تهیه شده را به محلول اضافه شد و باز هم برای همگنی کامل محلول و حل شدن پلی وینیل الکل در محلول نهایی، محلول در حمام فراصوت قرار داده شد. محلول نهایی را به یک بالن شیشهای به حجم 250 میلیلیتر انتقال داده و در دستگاه میکروموج خانگی - Samsung ME2040/ME201, 2450 MHz, 100-800 W - به مدت 10 دقیقه تحت تابش امواج قرار میدهیم.
بعد از گذشت مدت زمان معین محلول را 4 مرتبه بوسیله آب مقطر به منظور حذف نمک های اضافی از محلول نهایی به ترتیب زیر شست و شو داده میشود:ابتدا محصول نهایی در لولههای آزمایش ریخته شده و درون دستگاه سانتریفیوز به مدت 10 دقیقه با تعداد دور 4000 دور در دقیقه قرار داده شد، بعد گذشت این زمان آب بالای رسوبهای تهنشین شده بیرون ریخته شده و آب مقطر روی رسوبها اضافه می شود و با استفاده از حمام فراصوت محلول همگن سازی شده ومجدداً در داخل دستگاه سانتریفیوژ قرار داده میشود. بعد از خشک شدن ماده در دمای اتاق آن را در داخل کوره در دمای 300
