بخشی از مقاله
چکیده
یکی از آلودگی های مهم صنعتی، P-nitrophenol - PNP - است. برای حذف این آلودگی از محیط زیست، گرافن آلاییده شده با نیتروژن را با درصدهای مختلف به سولفید کادمیوم - - Cds به روش هیدروترمال اضافه کرده - NRGC nanocomposit - تا اثر آن بر روی تجزیه PNP بررسی شود. ساختار نمونه با آنالیز طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز FTIR و پراش پرتو ایکس XRD بررسی شد. به منظور تعیین خاصیت فتوکاتالیستی، نمونه ها تحت تابش نور فرابنفش در بازه های زمانی30، 180و300 دقیقه قرار داده شدند. آنالیز طیف سنجی جذب مرئی - فرابنفش - UV-VIS - حذف آلودگی را به خوبی نشان داد.
مقدمه
گرافن، ماده ای است تک لایه از اتم های کربن 2بعدی و به صورت شبکه لانه زنبوری، که به دلیل دارا بودن خواص فوق العاده الکتریکی، حرارتی و مکانیکی بسیار مورد توجه قرار گرفته است. تحقیقات انجام شده روی ترکیب گرافن با نانو ذرات معدنی نظیر فلزات، اکسید فلزات و سولفیدها نشان داده که سنتز این ماده با مواد دیگر خواص ماده را تقویت میکند. به طور مثال ترکیب گرافن تک لایه با نیتروژن باعث شده که تراز فرمی آن به بالای نقطه دیراک منتقل شود.[1] از کاربردهای آلایش گرافن با نیتروژن میتوان به باتری های لیتیومی اشاره کرد2]و.[3 نیمه هادیهای گروه پنج جدول تناوبی بهدلیلداشتن ویژگی های منحصر به فرد نظیر: راندمان بالا، پایداری فتوشیمیایی و مقرون به صرفه بودن، برای تصفیه پسابها به-عنوان کاتالیست مورد مطالعه قرار گرفته اند .[4]
نیمه هادی سولفید کادمیوم خاصیت فوق العاده ای در زمینه فتوکاتالیستی از خود نشان داده است. البته برای افزایش این خاصیت تحقیقاتی صورت گرفته است .[5] یکی از مهمترین آلودگیها که در روند تولید محصولات صنعتی و کارخانه ای وارد محیط زیست می شود، آلودگی P-nitrophenol - PNP - است که آسیب های جدی به محیط زیست و سلامت انسان وارد می- کند.[6] این آلودگی در صنایع شیمیایی و در ساخت رزین ها،پلاستیک ها ، مواد شوینده و آفت کش ها وجود دارد . 7حذف این آلودگی به دلیل ساختار شیمیایی آن ساده نیست.در این تحقیق خاصیت فوتوکاتالیستی ترکییب گرافن - نیتروژن-سولفید کادمیوم را بر PNP بررسی کرده ایم.
روش تجربی
ابتدا از پودر گرافیت، گرافن به روش هامر تهیه شد - .[8] - GO سپس برای کاهیدن آن از لیرز Quantel, Briliant - ND:YAG b class4، طول موج 532 نانومتر، پهنای پالس 5 نانوثانیه، دوره
تکرار 10هرتز، توان 0/3 وات، بیشینه انرژی 300 میلی ژول باقطر پرتو 7 میلی متر - استفاده شد. ابتدا 1گرم اکسید گرافن در50 میلی لیتر از محلول آمونیاک با pH=9 حل کرده و300 ثانیهتحت تابش لیزر قرار داده شد - .[9] - RGO سپس ترکیب گرافن-نیتروژن کاهیده شده و سولفید کادمیوم - - NRGC به روش هیدروترمال تهیه شد. ابتدا مقدار 0/1گرمسولفید کادمیوم در
آب دیونیزه - DI - به مدت 30 دقیقه حل شد.
سپس 0/03 گرمRGO در 20 میلی لیتر آب دیونیزه - DI - حل شده و به مدت30 دقیقه هم می خورد. سپس مقدار 10 گرم اوره به عنوان منبع نیتروژن،را کم کم به مخلوط دو سل تهیه شده اضافه کرده واجازه دادیم کاملآ هم بخورد. محلول یکنواخت حاصل در راکتور220 میلی لیتر قرار داده و به مدت 10 ساعت تحت دمای 200درجه سلسیوس قرار گرفت. پودر به دست آمده دو بار با آب دیونیزه شستشو داده شد تا مقدار اضافی اوره آن خارجشود - . - NRGC1 نمونه دوم به همین روش با دو برابر کردنRGO و اوره تهیه شد - . - NRGC2 برای بررسی خاصیت فتوکاتالیستی محلول 20مولار PNP را با 0/05 گرم از NRGC مخلوط کرده و تحت تابش نور فرابنفش قرار دادیم. سپس در بازه زمانی مختلف طیف جذب نمونه گرفته شد.
بحث
به منظور تایید آلایش گرافن با نیتروژن از طیف FTIR استفاده شد که به طور واضح ایجاد پیوند را نشان می دهد. شکل2 طیف FTIR نمونه NRGC است. قله 3433 cm-1 مربوط به گروه عاملی O-H کششی وقله 1629 cm-1 مربوط به گروه عاملی C-O کششی است. در نمونه گرافن احیا شده قله 1720 cm-1 که مربوط به گروه عاملی C=O کششی بوده پس از آلایش با نیتروژن از بین رفته و قله 1130 cm-1 کششی ارتعاشی که مربوط به C-N است پدیدار شده که حضور نیتروژن را در ماده به طورقطعی اثبات می کند. به دلیل کم بودن مقدار اتم های نیتروژن به نسبت کربن قله مربوط به C=N پدیدار نشده است .[10] قله 615 cm-1 که معرف Cd-S کششی ارتعاشی است [11] نشان می دهد که سولفید کادمیوم پیوند تشکیل داده است.
برای بررسی ساختار نمونه آنالیز XRD انجام شد. قله ها بر اساس - Cds-C - JCPDS-89-0440 و JCPDS-80- - Cds-H - 0006 نام گذاری شده اند. همان طور که در شکل 3 مشاهده می شود قله مربوط به RGO که قله پهنی در2 = 25oباید وجود داشته باشد به دلیل آلایش گرافن از بین رفته است. قله هایی که در29/5 oو 28oو 2 = 26/4o مشاهده می شوندمربوط به دسته صفحات - 002 - و - - 101 هگزاگونال و - 200 - مکعبی است. قله حاصل از آلایش گرافن با نیتروژن طبق گزارشات در 25o و2 = 24 o مشاهده می شود .[12] معمولا بلور Cds در حالت کپه به صورت هگزاگونال است اما زمانی که Cds به صورت نانو ذره باشد در هر دو فاز مکعبی و هگزاگونال دیده می شود. این فازها برای کامپوزیت های Cds نیز مشاهده می شود .[13] ساختار Cds راستای ارجح - 101 - که مربوط بهفاز ورتزیت1 است، را دارد. این ساختار به دلیل دمای بالا ی راکتور هنگام تشکیل کامپوزیت ایجاد شده است.[14]
هگزاگونال و مکعبی هستند.با استفاده از قانون براگ و رابطه زیر ثابت های شبکه ورتزیت را محاسبه کردیم:مقدار a=4/052 و c=6/521 به دست می آید که اندکی کمتر مقادیر گزارش شده a=4/160 و c=6/756 برای Cds است. دلیل این تغییر احتمالا تشکیل نانوکامپوزیت Cds با RGOاست.آزمایش فتوکاتالیستی نمونه اول NRGC1 در شکل 4 نشان دادهشده است. اثر تخریب آلودگی در زمان های 30، 180 و 300 دقیقه با کاهش قله جذب و تغییر رنگ محلول مشخص می شود. این کاهش برای این آلودگی قوی، قابل ملاحظه است.شکل 5 خاصیت فتوکاتالیستی نمونه دوم را که درصد بیشتری نیتروژن و گرافن دارد، نشان می دهد. در این شکل نیز مانند نمونه اول کاهش قله جذب مشاهده می شود. تقریبآ آلودگی از بین رفته و قله جذب پهن شده و تیزی ندارد. این اتفاق نشانداده که قابلیت شدت قله جذب در نمونه دوم نسبت به نمونه اول کاهش بیشتری دارد. در نهایت می توان نشان داد که آلایش
