مقاله در نانوکامپوزیت‌ها بررسی ویژگی‌های فوتو کاتالیستی دی‌اکسید تیتانیوم

بخشی از مقاله

چکیده

دیاکسید تیتانیوم یکی از ترکیبات موجود در طبیعت است که دارای خواص فوتوکاتالیستی میباشد. این ویژگی سبب شده تا پرتودهی با طولموج معین توسط پرتو فرابنفش الکترونهای تراز ظرفیت این ترکیب را برانگیخته کند و با ایجاد حفره و واکنش با آب رادیکالهای آزاد تولید شود که عامل اکسیداسیون در پلیمر میباشد. علاوه بر این از دیاکسید تیتانیوم جهت افزایش آبگریزی توسط فعالیت فوتوکاتالیستی یاد شده و افزایش زبری نسبی، سفید کردن رنگ مواد، ضدعفونی و از بین بردن باکتریها استفاده میشود.

واژگان کلیدی: نانو دیاکسید تیتانیوم، فوتوکاتالیست، فرابنفش

-1 مقدمه

استفاده از فناوری نانو، از جدیدترین پیشرفتها در عرصههای صنعتی میباشد. نانو ذرات به موادی اطلاق میشود که حداقل یکی از ابعاد آنها در ابعاد نانو و کمتر از 100 نانومتر باشد.[1] علاوه بر این، استفاده از نانو ذرات سبب شده تا با افزایش نسبت سطح به حجم، میزان فصل مشترک سطح نانوذره افزایش یابد. بهاینترتیب تخلخل و فضای خالی، با نانو ذرات پر میشود و مسیری غیرمستقیم ایجاد میشود. بهطورکلی نسبت سطح به حجم بالا و ایجاد برهمکنشهای بیشتر، باعث میشود که استفاده از نانو پرکنندهها به بهبود قابلتوجهی در خواص فیزیکوشیمیایی مواد حاصل کمک کنند.[2] امروزه استفاده از کاتالیزورهایی که با تابش نور فعال میشوند - فوتوکاتالیست - بسیار رایج است. یکی از این فوتوکاتالیست ها، دیاکسید تیتانیوم میباشد که غیر مضر بودن آن برای انسان و محیطزیست اثبات شده است.[3]

-2 فوتو کاتالیست های نیمههادی

ترکیباتی هستند که در اثر تابش نور واکنشهای شیمیایی در سطح آنها تسریع میشوند. چونمعمولاً فوتوکاتالیستهای نیمههادی جامد هستند تغییرات متعددی در اندازه و توزیع آنها، مساحت سطح، ساختار سطحی و کریستالی آنها میتوان ایجاد کرد. با بررسیهای مختلفی که بر روی فوتوکاتالیستهای نیمههادی توسط انرژی نوری با کارایی بالا انجام شده است، میتوان امکان فعال شدن آنها را فراهم نمود.[4]

-3 نانو دیاکسید تیتانیوم

دیاکسید تیتانیوم که با نامهای اکسید تیتانیوم یا تیتانیا شناخته میشود دارای فرمول شیمیایی TiO2 میباشد. دیاکسید تیتانیوم - TiO2 - نوعی اکسید فلزی خنثی و نیمههادی میباشد که بهعنوان یک فوتوکاتالیست منحصربهفرد شناختهشده است و به دلیل سمیت کم، پایداری بالا، سازگاری زیستی فوقالعاده و واکنشپذیری نوری جایگاه ویژهای در صنعت شیمی و پلیمر پیدا کرده است. این نانوذره به سه شکل کریستالی آناتاز، روتایل و بروکیت - شکل - 1 یافت میشود که در این میان نوع آناتاز بیشترین سهم فوتو کاتالیستی را دارا میباشد.[5] دیاکسید تیتانیوم، نیز با دوز مشخصی بهطور گسترده در مواد غذایی و لوازمآرایشی و بهداشتی مورداستفاده قرار میگیرد.علاوه بر این با توجه به فعالیتهای ضد میکروبی دیاکسید تیتانیوم میتوان از آن در ساخت بستهبندیهای فعال استفاده نمود. تمام خصوصیات دیاکسید تیتانیوم نیز در نانو دیاکسید تیتانیوم وجود دارد با این تفاوت که به دلیل نسبت سطح به حجم بسیار بالای نانو دیاکسید تیتانیوم نسبت به انواع میکرونی آن، راندمان کار بهطور چشمگیری افزایش مییابد. از سوی دیگر زمانی که اندازه ذرات دیاکسید تیتانیوم به ابعاد نانومتری کاهش مییابد فعالیت فوتوکاتالیستی آن نیز افزایش مییابد[6]

-4 بهبود رنگ مواد توسط دیاکسید تیتانیوم

TiO2 بهعنوان یک رنگدانه سفید مورداستفاده قرار میگیردکه به دلیل پایداری بسیار بالا و جذب نسبتاً یکنواخت نورمرئی بهعنوان منبع رنگدانه سفید برای پلیمرها شناخته شده است و برای بهبود رنگ مواد مورد پژوهش قرار گرفته است.[7]

-5 فعالیت فوتوکاتالیستی دیاکسید تیتانیوم

پرتو فرابنفش طیفی از امواج الکترومغناطیسی است که در محدوده 100 - 400 نانومتر قرار دارد. به علت تأثیرات متفاوتی که از این پرتو مشاهدهشده است آن را به سه ناحیه A، B و C تقسیمبندی کردهاند. ناحیه فرابنفش نوع A که نزدیک به نور مرئی میباشد در محدوده 315 - 400 نانومتر، فرابنفش نوع B در محدوده 280 - 315 نانومتر و فرابنفش نوع C در محدوده 100-280 نانومتر قرار دارد که نزدیک به پرتوایکس است .[8] بهطورکلی فرابنفش C، پرانرژیترین نوع فرابنفش محسوب میشود و قدرت تخریبی آن بالاتر از انواع دیگر است. با تابش این پرتو به محلول نشاسته یا فیلم نشاسته، به علت ایجاد رادیکال آزاد و تغییر پیوندها، ویژگیهای پیکری زنجیره نشاسته دستخوش تغییراتی میشود .[10 ,9]

این نیمههادی - TiO2 - دارای دو باند ظرفیت - پر از الکترون - و هدایت - خالی از الکترون - میباشد. بین این دو باند فاصله خاصی - گاف انرژی - قرار دارد که تحت تابش پرتو فرابنفش با طولموج کمتر از 387 نانومتر الکترونهای موجود در لایه ظرفیتTiO2 برانگیختهشده و به لایه هدایت منتقل میشوند. درنتیجه این انتقال جفت الکترون-حفره پدید میآید و چون الکترونهایی که به باند هدایت منتقل شدهاند بسیار ناپایدار و فعال میباشند - به علت سطح انرژی شکاف- باند بسیار بالای این نانوذره که حدود 3/2 الکترونولت برای نوع آناتاز میباشد - مجدداً الکترون از تراز بالاتر - باند هدایت - به تراز پائینتر - باند ظرفیت - بازمیگردد. .[11] حفرههایی که با تابش نور ایجاد شدهاند پس از واکنش با آب سبب تولید رادیکالهای آزادی همچون آنیون سوپر اکسید، هیدروکسیل، اکسیژن منفرد و پراکسید هیدروژن میشود. بدین ترتیب اگر ترکیبی در مجاورت TiO2 باشد امکان اکسیداسیون و احیاء آن فراهم میگردد.[12]

-6 خاصیت آنتی باکتریال دیاکسید تیتانیوم

اکسید تیتانیوم قادر است که هر دو نوع باکتریهای گرم مثبت و گرم منفی را نابود سازد. هر چند که تأثیر آن بر روی باکتریهای گرم منفی بیشتر از باکتریهای گرم مثبت است؛ زیرا باکتریهای گرم مثبت قادرند حول خود پوسته محافظ تولید کنند. غلظت مؤثر اکسید تیتانیوم برای کشتن باکتریها با توجه بهاندازه ذرات، شدت و طولموج نور مورداستفاده -1000 ppm 100 گزارش شده است[14]

-7 دیاکسید تیتانیوم و افزایش آبگریزی

زمانی که با افزودن نانو دیاکسید تیتانیوم به یک پلیمر در مقیاس نانومتری یک سطح زبر تشکیل شود، فصل مشترک بین هوا و آب - هنگامیکه قطره آبی، روی سطح پلیمر قرارگرفته است - ، افزایشیافته و نیروی موئینگی بین قطره و سطحشدیداً کم میشود؛ بنابراین قطره آب شکل کروی به خود میگیرد و امکان ایستایی قطرات آب روی سطح از بین میرود [2]