بخشی از مقاله
چکیده
دراین پژوهش لایههای نازک نانو ساختار TiO2 و TiO2/Ag بر روی سطح کاشیهای سرویس بهداشتی به روش اسپری پایرولیز لایهنشانی شده است. مورفولوژی و ابعاد نانو ذرات با میکروسکوپ الکترونی روبشی، درصد عناصر تشکیلدهنده لایه نازک با طیف پراکندگی اشعه X الکترون - EDX - مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است. خاصیت فوتوکاتالیستی و خود تمیز شوندگی نانو ساختار TiO2 با دو دسته آزمایش مطالعه شد. - 1 تجزیه و خود تمیز شدن دود روغن مایع آغشته شده به لایه های نازک TiO2 و TiO2/Ag تحت تابش نور خورشید و نور لامپ کم مصرف45 وات - 2 تجزیه و تغییر رنگ مولکولهای محلول متیلن آبی با غلظت10میلی گرم برلیتر آغشته شده به لایه های نازک نانو ساختار TiO2 و TiO2/Ag تحت تابش نور لامپ کم مصرف توان 45 وات بررسی قرار گرفت.
واژه های کلیدی: - 1فوتوکاتالیستی، - 2خودتمیزشوندگی، - 3دود روغن مایع، - 4متیلن آبی
مقدمه
اکسید فلزی TiO2 یک نیمه هادی نوعn ذاتی دارای ساختارهای بلوری: روتیل، آناتاز، بروکایت است. فاز آناتاز اثر فوتوکاتالیستی بیشتری نسبت به فازهای دیگر نشان می هد، گاف انرژی آن درحدود 3/2 الکترون ولت است .[1] شکل1 فرایند فوتوکاتالیست نانو ساختار دی اکسید تیتانیوم را نشان می دهد. در این فرایند یک فوتون که با انرژی برابر و یا بزرگتر از گاف انرژی به نیمههادی TiO2 تابیده و با جذب آن منجر به برانگیخته شدن الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانش شده و تولید زوج الکترون- حفره میشود. حفرهها، در طی واکنش اکسایش مولکول آب با یون OH- روی سطح واکنش داده و تولید رادیکالهای OH - هیدروکسید - میکند.
الکترونها در طی یک واکنش احیا با مولکول اکسیژن واکنش داده و رادیکالهای آنیون سوپر اکسید O2- تولید میکند. این دو رادیکال تولیدشده بسیار واکنشپذیر بوده با ترکیبات آلی واکنش داده و باعث تجزیه آنها میشوند.[1]دالس1 و همکارانش خاصیت آنتی باکتریال سطوح کاشی بهداشتی را مورد بررسی قراردادهاند. در پژوهش آنها نانو ذرات TiO2 و نقره را به روش CVD بر روی زیرلایه از جنس کاشی، لایه نشانی و سپسسطح کاشی را با باکتری اشریشا کولی آغشته نمودهاند. طی گزارش های ارائه شده، رشد باکتری بعد از 24 ساعت متوقفشد.[2]در این پژوهش تجزیه و خود تمیز شوندگی دود روغن مایع توسط نانو ذرات TiO2 بررسی شده است که اولین کار پژوهشی است در این زمینهی فوتوکاتالیستی، انجام شده است.
فعالیت تجربی
در این پژوهش لایهنازک TiO2 بر روی زیرلایه کاشی ساختمانی به روش اسپری پایرولیز - افشانه داغ - لایه نشانی کردهایم. محلول اولیه شامل تیتانیوم ایزوپروپکساید و استیل استون با نسبت مولی 1 به 2 را انتخاب کردیم. برای افزایش بازده ی فوتوکاتالیست، لایه TiO2 با نیترات نقره با 0/66 درصد وزن مولی آلاییده شد. حجم محلول 90 میلی لیتر با آهنگ 4 میلی لیتر بر دقیقه بر روی سطح کاشی که در دمای 600 درجه سیلسیوس قرار داشت، لایه نشانی شد. سپس نمونهها با آهنگ دمای 10 درجه سیلسیوس بر دقیقه کاهش، به دمای اتاق رساندیم. سپس نمونهها در دمای 650 درجه سیلسیوس در کوره صنعتی پخت داده شدند.
نتایج ریختشناسی نانوساختارهای دیاکسید تیتانیوم:
با نگاهی به تصویر میکروسکوپ الکترونی گسیل میدان FE-SEM که در شکل2 نشان داده شده مشاهده میشود توزیع نانو ساختارها TiO2 به صورت دانههای مجزا و بیضیگون هستند. با توجه به شکل SEM - مقیاس200 نانومتر - اندازه متوسط نانو ساختارهای با استفاده از نرم افزار Digimizer در محدوده 36 نانومتر و متوسط تخلخلها در حدود 32 نانومتر را نشان میدهد.شکل3 مورفولوژی لایه TiO2/Ag به نسبت 0/66 درصد وزنی را نشان میدهد. متوسط اندازهی نانو ذرات در حدود 26 نانومتر و متوسط حفرهها در حدود 53 نانومتر میباشند. بنابراین با آلایش نقره روی سطح سرامیک اندازه حفرهها زیاد شده و درنتیجه اندازه ذرات TiO2 کاهش مییابد .[2]
هنگام نفوذ اتمهای نقره با در صد معین در شبکه بلوری TiO2 موجب شارش الکترونها از تراز رسانش دی اکسید تیتانیوم به فلز نقره میشود. بنابراین سطوح فرمی آنها، هم تراز خواهند شد و لبه جذب به سمت طول موجهای بزرگتر 450 - نانومتر- 435 نانومتر - و به منطقه مرئی انتقال یافته و پهنای گاف نیمههادی کاهش مییابد. در نتیجه تحت تابش نور، آهنگ تولید زوج الکترون-حفره افزایش یافته و آهنگ بازترکیب حاملهای بار در سطح نیمه هادی کاهش مییابد . بنابراین رادیکال هیدروکسید بیشتری بر روی سطح دی اکسید تیتانیوم تولید شده و فرایند فوتوکاتالیستی در منطقه نور مرئی افزایش مییابد.[3]شکل4 تصویر SEM، برش عرضی کاشی با حجم 90 میلی لیتر را نشان میدهد. ضخامت لایه نازک دیاکسید تیتانیوم در حدود 729 نانومتر اندازهگیری شده است.درصد عناصر تیتانیوم، اکسیژن و نقره ناشی از لایه نازک TiO2، را نشان میدهد.
محاسبه گاف انرژی
محاسبه گاف انرژی سطح لایهنازک TiO2 و TiO2/Ag از نظریه کیوبلکا- مانک پیروی میکند. با اندازهگیری بازتاب از لایهنازک کهمیتوان را از رابطه1 محاسبه نمود: [4]
برای فوتونهای فرودی که انرژی آنها بیشتر از گاف نواری است از رابطه 2پیروی میکند که در آن A یک مقدار ثابت، Egگاف انرژی نمونه و h انرژی فوتون فرودی است.[4] - 2 - ×مقدار توان m نوع انتقال الکترونی که باعث جذب فوتون فرودی میشود را مشخص میکند. . برای دیاکسید تیتانیوم گاف انرژی دو نوع انتقال مستقیم و غیرمستقیم مجاز است و مقدار m به ترتیب برابر 0/5 و 2 است. بنابراین با استفاده از مقدار m مناسب در رابطه 2 منحنی - h - 1/m برحسب h خطی میشود. با رسم خط مماس بر این منحنی و بدست آوردن محل تقاطع با محور h مقدار گاف انرژی را میتوان محاسبه کردشکل 6 گاف انرژی لایه نازک TiO2 نشان میدهد. با توجه به شکل، گاف انرژی لایهنازک 3/2 الکترون ولت میباشد که با مقدار گاف انرژی فاز آناتاز برابر است.
تعیین میزان درصد عناصر لایه نازک دی اکسید تیتانیوم:
شکل5 آنالیز EDX میزان درصد وزنی و اتمی عناصر تیتانیوم، اکسیژن و نقره در لایه نازک است. در این شکل قلههای موجود، قلههایی از عناصر سیلیکان، کلسیم، زیرکونیوم، آلومنیوم و روی نیز دیده میشود که ناشی از زیرلایه کاشی هستند. در شکل7 گاف انرژی لایه نازک TiO2- %0/66Ag نشان دادهشده است. با توجه به شکل گاف انرژی لایه نازک ، 3/08 الکترون ولت را نشان میدهد. با آلایش نقره گاف نواری کاهش یافته و لبه جذب به ناحیه مرئی انتقال یافتهاست.
تجزیه متیلن آبی تحت تابش نورلامپ کم مصرف:
معمولاً برای نشان دادن کارآیی اثر فوتوکاتالیستی از تجزیه متیلنآبی استفاده میشود. ما نیز نمونههای سنتز شده تحت این آزمایش استاندارد قرار دادیم. در این پژوهش متیلن آبی را با غلظت 10 میلی گرم بر لیتر در حجم 5 سی سی آماده کرده و سطح کاشی لایه نازک TiO2، TiO2/Ag را با آن آغشته و تحت تابش نور لامپ کم مصرف با توان 45 وات قراردادهایم. شکل8a تغییرات بازتاب برحسب طولموج TiO2 در ابتدا، 1:30دقیقه، 4ساعت و شکل8b، تغییرات بازتاب برحسب طول موج TiO2/Ag در ابتدا، 1دقیقه، 1:45دقیقه را نشان میدهند. بر اثر فرایند فوتوکاتالیستی بازتاب از سطح لایهنازک TiO2 و TiO2/Ag تحت تابش نور لامپ کم مصرف، با گذشت زمان افزایش مییابد. تمام نتایج نشان میدهد متیلن آبی آغشته به لایه نازک با آلایش نقره سریعتر تمیز میشود. که در این اثر فرایند تولید حاملهای بار افزایش یافته و باعث تسریع ایجاد رادیکالهای فعال بر روی سطح سرامیک میشود. بنابراین رادیکالهای تولید شده با متیلن آبی بر روی سطح واکنش داده و باگذشت زمان متیلن آبی سریع تر تجزیه و از شدت رنگ آبی کم میشود و بازتاب از سطح کاشی در ناحیه UV افزایش می یابد در پایان روند متیل آبی به CO2 و H2O تبدیل میشود.
تجزیه دود روغن مایع تحت تابش منابع نور مرئی:
یکی از مشکلات عمده در بهداشت عمومی تمیز نگهداشتن محیطهای پخت و پز است. به همین منظور آزمایش زیر را بر روی نمونههای سنتز شده را بکار بستیم. در این فرایند نمونه های TiO2و TiO2/Ag را در معرض مستقیم دود روغن مایع قرار دادیم. نمونهها را تحت نور خورشید گذاشته و در زمانهای مختلف تغییرات بازتاب نور نمونهها، برحسب زمان و طولموج بوسیله اسپکترومتر اندازهگیری کردیم. شکل9a تغییرات بازتاب لایه نازک TiO2 بر حسب طولموج در ابتدا و بعد از گذشت زمانهای 3، 5، 13 ساعت و شکل9b تغییرات بازتاب لایه نازک TiO2/Ag برحسب طولموج در ابتدا و بعد از گذشت زمانهای 2، 5 و10 ساعت را نشان میدهد. بعد از گذشت زمان بر اثر تابش نور خورشید طی فرایند فوتوکاتالیست بازتاب در ناحیه مرئی افزایش مییابد - در ناحیه UV کمترین مقدار را دارا است - سطح از دود روغن مایع تمیز میشود.
