بخشی از مقاله
خلاصه
استفاده از فوتوکاتالیزور ها به منظور تبدیل انرژی خورشیدی به انرژی شیمیایی به دلیل دارا بودن پتانسیل بالا جهت تولید هیدروژن به عنوان سوخت آینده و همچنین حذف آلاینده ها در آب و پساب، توجه محققان را در سالهای اخیر به خود جلب کرده است. کربن نیترید گرافیتی به دلیل داشتن خواص فوتوکاتالیزوری و گاف انرژی مناسب در ناحیه نور مرئی می تواند گزینه مناسبی برای حذف آلاینده ها باشد. در این پژوهش کربن نیترید گرافیتی به روش بسپارش تراکمی از تیوره که ماده ای ارزان و در دسترس می باشد سنتز گردید. به منظور بهبود خواص فوتوکاتالیزوری کربن نیترید بالک یا توده ای به دست آمده با استفاده از روش لایه لایه سازی شیمیایی1 تبدیل به کربن نیترید نانو ورقه ای گردید. برای تعیین خواص و فعالیت آن با استفاده از یک لامپ ال ای دی 100 وات به عنوان چشمه نور مرئی، حمام آب، ظروف شیشه ای و یک همزن مگنت دار از روش تخریب رنگ فوتوکاتالیزوری و از Rhodamine B به عنوان رنگ استفاده کردیم که نتایج آن گویای این مطلب بودند که با افزایش سطح فوتوکاتالیزور توسط این روش فعالیت آن نیز افزایش می یابد.
کلمات کلیدی: کربن نیترید گرافیتی، لایه لایه سازی، نانو ورقه ای، فوتوکاتالیزور، نور مرئی، Rhodamine B
-1 مقدمه
گرم شدن کره ی زمین، آلودگی زیست محیطی، جملاتی در تضاد با استفاده از انرژی های تجدید پذیر و تکنولوژی های سبز هستند. اگرچه این تضاد هشداری جدی برای حیات بر روی این سیاره آبی در دهه های اخیر محسوب می شود اما همچنان کمبود بازده مناسب در استفاده از انرژی های تجدید پذیر و هزینه ی بالا در بکار بردن تکنولوژی های سبز بشر را به سوی سیاه چاله ی مصرف سوخت های فسیلی و استفاده از صنایع آلاینده سوق می دهد. در این میان بهره برداری از بزرگترین منبع انرژی تجدید پذیر یا همان خورشید دانشمندان را بر آن داشت تا با استفاده از این چشمه ی انرژی خدادادی موانع موجود در این زمینه را تا حدودی کنار زنند.
فوتوکاتالیزور ها ترکیباتی نیمه هادی هستند که اتم هایشان با دریافت انرژی فوتون ها بر انگیخته شده و حفره ها و الکترون های آزاد را بوجود می آورند.[1] این حفره ها و الکترونها بدلیل داشتن انرژی کافی می توانند منجر به واکنش های شیمیایی مختلفی از قبیل تجزیه آب - تولید هیدروژن - ، احیاء نوری کربن دی اکسید، تخریب مواد آلاینده محلول در آب و غیره شوند.[2] در این میان کربن نیترید گرافیتی با دارا بودن قابلیت هایی همچون گاف انرژی مناسب برای فرایند تجزیه فوتوکاتالیزی آب - 2,7 الکترون ولت در مقابل 1,21 الکترون ولت انرژی لازم برای تجزیه مولکول آب - ، غیر سمی بودن، پایداری حرارتی و شیمیایی بالا - مقاوم در گستره 0 PHتا 14 و دمای ماکزیمم 600 درجه سلسیوس - توانسته است توجه محققان را بخود جلب کند.[3]
دوپ کردن عناصر مختلف بر روی این ترکیب و همچنین استفاده از نانو ذرات مغناطیسی به منظور جداسازی آسان از محلول خود گویای این جلب توجه است - Varela - et al. 2015و.[5] از دیگر نقاط قوت کربن نیترید گرافیتی فعالیت آن در طیف نور مرئیست که حدودا %50 از انرژی دریافتی از خورشید توسط زمین در این طیف قرار گرفته است.[6] اما با تمام این مزایا باز ترکیبی سریع الکترون ها و حفره ها1 از معایب اصلی کربن نیترید گرافیتی است. از این رو پژوهشگران به منظور بهبود خواص فوتوکاتالیزوری و کاهش میزان این باز ترکیبی از روش های گوناگونی استفاده می کنند. از میان این روش ها می توان به مهندسی ساختار های نانو، نشاندن فلزات نجیب بر روی سطح و همچنین دوپ کردن عناصر فلزی و غیر فلزی در ساختار فوتوکاتالیزور به عنوان مهمترین روشهای رایج در این زمینه اشاره کرد.
به عنوان مثال میزان فعالیت فوتوکاتالیزوری کربن نیترید با دوپ کردن نیمه هادی هایی با سطح انرژی مناسب - همچون TiO2, CdS, ZnO, و... - می تواند افزایش یابد.[7] کربن نیترید گرافیتی دارای ساختاری شبیه گرافیت است، با این تفاوت که گرافیت از حلقه های تمام کربنی ساخته شده اما کربن نیترید همانطور که از اسمش پیداست از حلقه های پلیمری کربن و نیتروژن که به صورت لایه لایه بر روی هم قرار گرفته اند. جاذبه بین این لایه ها از نیروهای ضعیف واندروالس تشکیل شده است که با استفاده از یک حلال مناسب و امواج اولتراسونیک می توان بر این نیرو ها غلبه کرد و ورقه هایی به ضخامت یک تا چند لایه با ضخامتی در بازه 1تا 3 نانومتر جداسازی کرد. افزایش سطح فعال و همچنین پایداری سوسپانسیون از عمده مزایای این روش است.[8]
-2 روش تحقیق
-1-2 سنتز کربن نیترید
برای سنتز کربن نیترید گرافیتی از یک کوره الکتریکی با قابلیت برنامه زمانی و همچنین یک بوته چینی در دار بهره گرفته شد. 10 گرم تیوره در بوته چینی داخل کوره قرار دادیم و کوره را طوری برنامه ریزی کردیم که با سرعت 5 درجه سلسیوس بر دقیقه به دمای 550 درجه برسد به مدت 4 ساعت در این دما ثابت بماند و پس از آن با سرعت 10 درجه بر دقیقه به دمای محیط باز گردد . بعد از خنک شدن تا دمای محیط جامد زرد رنگ آجری بدست می آید که پس از آسیاب کردن آن آماده ی فرایند های بعدی می شود.
-2-2 لایه لایه کردن کربن نیترید
به منظور لایه لایه سازی کربن نیترید گرافیتی تجهیزاتی از قبیل حمام اولتراسونیک، سانتریفیوژ با قابلیت تثبیت دما و همچنین ترازوی دیجیتالی با دقت 0,0001 گرم به کار گرفته شد. مواد شیمیایی مورد استفاده دارای خلوص بالا بوده و از شرکت های معتبر خریداری شدند به طوریکه نیاز به خالص سازی یا فرایند اضافی نداشتند. در ابتدا کربن نیترید سنتز شده را داخل یک ظرف در دار ریخته و 100 میلی لیتر ایزو پروپانول را به آن اضافه می کنیم، در ظرف را بسته و به مدت 30دقیقه داخل حمام اولتراسونیک قرار می دهیم. بعد از آن سوسپانسیون بدست آمده را به مدت 10 دقیقه با دور 3000rpm سانتریفیوژ کرده و پس از جدا کردن کلوخه ها سوسپانسیون بدست آمده از این مرحله را با دور 12000rpm سانتریفیوژ کرده و کربن نیترید نانو ورقه ای را در آون در دمای 80 درجه سلسیوس تا 24 ساعت خشک می کنیم.
-3-2 آزمون فعالیت فوتوکاتالیزوری
محلول Rhodamine B 10ppm تهیه گردید و مقدار 100 میلی لیتر از آن به همراه 10 میلی گرم از کربن نیترید لایه لایه شده و همچنین نمونه بالک کربن نیترید داخل یک ظرف شیشه ای همزن دار با دور 250rpm قرار گرفت و به منظور شبیه سازی نور خورشید از یک لامپ 100 وات ال ای دی سفید رنگ - مشابه با لامپ 300 وات زنون - استفاده شد. بدین ترتیب محلول ppm 10 رنگ و فوتوکاتالیزور ابتدا 1 ساعت در تاریکی هم زده می شود تا تعادل جذب بر قرار گردد و پس از آن تابش نور صورت می گیرد. نمونه گیری در بازه های زمانی 1 ساعته انجام می شود و پس از اتمام نمونه گیری نمونه ها داخل میکروسانتریفوژ قرار داده میشوند تا برای آنالیز جذب اسپکتروفوتومتری آماده شوند. به منظور اثبات فعالیت فوتوکاتالیزوری از یک محلول Rhodamine B 10ppm بدون فوتوکاتالیزور نیز استفاده می کنیم و شرایط کاملا یکسان از قبیل دور همزن، منبع نوری و دمای محیط را فراهم و مشابه حالت قبلی نمونه برداری می کنیم.
-3 یافته ها
نتایج بدست آمده از آنالیز XRD که در شکل 1 نشان داده شده، حاکی از آنست که سنتز کربن نیترید گرافیتی موفقیت آمیز بوده است. پیک اصلی در زاویه پراش 2 =27,4 که مربوط به فاصله بین لایه ای در ساختار های گرافیتیست. و همچنین پیک 2 =12,8 نیز تایید کننده فضای درون لایه ای در ساختار کربن نیترید گرافیتی در مقایسه با سایر کار های مشابه است.[9] مرحله ی تخریب رنگ در بازه های یک ساعته اندازه گیری شد و میزان جذب نوری نمونه ها توسط دستگاه اسپکترو فوتومتر در طول موج 550 نانومتر که در حقیقت مقدار بیشینه جذب برای رنگ Rhodamine B به شمار می آید ، اندازه گیری شد و نتایج آن در شکل 2 ارائه شده است.
همانطور که در شکل 2 دیده می شود تغییرات غلظت رنگ - که به صورت غلظت رنگ به غلظت اولیه رنگ نمایش داده شده است - برای هر سه حالت یعنی بدون حضور فوتوکاتالیزور، در حضور فوتوکاتالیزور توده ای و در حضور فوتوکاتالیزور لایه لایه شده در 60 دقیقه اول که فقط در تاریکی همزده شده اند تقریبا یکسان است. که این خود گویای این مطلب است که می توان از مقدار جذب سطحی صورت گرفته در مقابل تخریب فوتوکاتالیزوری صرف نظر کرد. در شکل 2 همچنین نتایج فعالیت فوتوکاتالیزوری پس از 60 دقیقه که نور تابیده می شود را برای هر سه حالت قبل می توان به خوبی شاهد بود. با توجه به شکل 2 می توان بهبود صورت گرفته سرعت تخریب رنگ در نتیجه لایه لایه کردن کربن نیترید را به وضوح مشاهده کرد.
-4جدول ها و شکل ها و نمودار ها
