بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق آرایههای منظم نانولولههای دی اکسید تیتانیوم به روش اکسایش آندی ساخته شده و اثر نانوذرات پلاسمونی نقره ساخته شده به روش سیلار بر روی ویژگیهای فوتوالکتروشیمیایی آنها مورد بررسی قرار گرفته است. بر اثر تشدید پلاسمون سطحی نانوذرات نقره، جذب نور توسط نانولولههای دی اکسید تیتانیوم آلاییده شده با نقره افزایش یافته و امکان جذب نور در ناحیه مرئی برای ساختار ایجاد شده فراهم میشود.
اندازهگیریهای XRD و SEM جهت بررسی پوشش نانوذرات بر روی سطح نانولولهها انجام شده است. در ادامه غلظتهای مختلف پیشماده جهت ساخت نانوذرات پلاسمونی نقره مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. ویژگیهای فوتوالکتروشیمیایی نمونههای آماده شده توسط منحنیهای جریان-ولتاژ و کرونوآمپرومتری در یک سلول استاندارد فوتوالکتروشیمیایی بررسی شدند و مقادیر بهینه پیشمادهها برای ساخت نانوذرات برای به دست آوردن بهینه جریان فوتوالکتروشیمیایی به دست آمد.
مقدمه
تجزیه آب به روش فوتوالکتروشیمیایی برای تولید هیدروژن با استفاده از انرژی خورشیدی منبع انرژی پاک و نامحدودی را برای حل مشکلات آلودگی محیط زیست و تامین انرژی در دهههای آینده فراهم میآورد. در فرآیند تجزیه آب به روش فوتوالکتروشیمیایی از نیمرساناهای اکسید فلزی مناسب برای جذب نور و تجزیه آب استفاده میشود .[1-2] دی اکسید تیتانیوم TiO2 به دلیل واکنش نوری بالا، غیر سمی بودن، پایداری بالا، مقاومت زیاد در برابر خوردگی، کم هزینه و در دسترس بودن، یکی از مواد فوتوکاتالیستی بسیارشناخته شده است.
[3] دی اکسید تیتانیوم یک نیمرسانا با انرژی گاف وسیع است. گاف نواری الکترونی بزرگ دی اکسید تیتانیوم به این معنی است که تنها طول موج در ناحیهی فرابنفش که %5 از انرژی طیف خورشید را تشکیل میدهد را میتواند جذب کند در حالی که نیمی از انرژی خورشیدی رسیده به سطح زمین در ناحیه مریی است .[4-5] بنابراین اگر بتوان به روشی شکاف انرژی TiO2 را کاهش داد این ماده در ناحیه مرئی فعال میشود و مقدار بیشتری از انرژی خورشید جذب میشود .[6]
روشهای مختلفی برای به دست آوردن بازده بیشتر با استفاده از تابش نور خورشید وجود دارد مانند: ناخالص سازی با یونهای فلزی و غیرفلزی [7]، حساس سازی به نور [8]، اتصال به نیمرساناهای با گاف انرژی پایین [9] و اصلاح با نانوذرات فلزات نجیب و استفاده از ویژگیهای پلاسمونی آنها .[10-11] در این پژوهش، بهبود ویژگیهای فوتوالکتروشیمیایی نانولولههای دی اکسید تیتانیوم با استفاده از ویژگیهای پلاسمونی نانوذرات نقره سنتز شده به روش سیلار، گزارش شده است. نانوذرات نقره لایه نشانی شده روی نانولولههای TiO2 بطور قابل ملاحظهای ویژگی-های فوتوالکتروشیمیایی نانولولههای TiO2 را بهبود میبخشد
روش آزمایش سنتز نانولولههای دی اکسید تیتانیوم:
برای ساخت نانولولههای دی اکسید تیتانیوم به روش اکسایش آندی در ابتدا ورقه تیتانیوم بعنوان آند، با خلوص %99/5 و ضخامت 1 میلیمتر تهیه و به ابعاد 1/5×2/5 سانتیمتر برش داده شد. و پس از سنباده زدن و تمیزی سطح فلز، به ترتیب در دوپروپانول، استون و آب یون زدایی شده هر کدام به مدت 10 دقیقه در حمام فراصوت، شستشو و سپس در هوای آزاد خشک شدند. ورقه مسی بعنوان کاتد نیز در همان اندازه مانند تیتانیوم برش خورده و با اسید نیتریک رقیق شده و آب دیونیزه شستشو شد و خشک گردید.
سپس ورقهها، درون سلول الکتروشیمیایی قرار داده شدند. الکترولیت حاوی 0/3 درصد وزنی آمونیوم فلوراید و 2 درصد حجمی آب دو بار یونیده در اتیلن گلیکول میباشد. اکسایش آندی در ولتاژ 60 ولت به مدت 3 ساعت و در دمای 5 درجه انجام شد. سپس، ورقه تیتانیومی که نانولولههای دی اکسید تیتانیوم بر روی سطح آن ساخته شده است در اتانول داخل حمام فراصوت برای چند ثانیه قرار داده شد و در هوای آزاد خشک شده و داخل کوره در دمای 500 درجه سانتیگراد قرار گرفت و به مدت 5 ساعت پخت داده شد. در این دما نانولولهها که در فاز بیشکل هستند به فاز آناتاز تغییر فاز میدهند.
آلایش نانولولههای دی اکسید تیتانیوم با نقره:
آلایش نانولولههای TiO2 با نانوذرات نقره به روش سیلار انجام شد. در این روش، محلول 1 میلیمولار AgNO3 و 2 میلی مولار NaBH4 آماده شدند. نمونه نانولولههای TiO2 به ترتیب در محلولهای AgNO3 به مدت 1 دقیقه غوطهور شدند، سپس نمونه به مدت 30 ثانیه داخل H2O قرارگرفت تا پیوندهای ضعیف و محلول پیش ماده اضافه از روی آن برداشته شود، پس از آن نمونه به مدت 3 دقیقه در محلول NaBH4 قرار گرفت تا نانوذرات نقره روی آن شکل گیرند و در آخر دوباره نمونه داخل H2O به مدت 30 ثانیه قرار گرفت تا شستوشو داده شود.
این چهار مرحله متوالی که در تاریکی و حمام یخ انجام شد، به عنوان یک سیکل درنظر گرفته میشود. نمونههای نانولولههای TiO2 در سیکل بهینه 8 توسط غلظتهای مختلف پیشماده نانوذرات نقره آلاییده شدند . سپس هر یک از نمونهها در مقابل نور لامپ زنون 500 وات به مدت 20 دقیقه قرار داده شدند تا یون های نقره - Ag+ - تشکیل شده روی نانولولهها به نانوذرات نقره فلزی - Ag - کاهش یابند.
نتایج و بحث
در شکل 1 تصاویر SEM نانولولههای دی اکسید تیتانیوم خالص و آلاییده شده با نانو ذرات نقره نمایش داده شده است. میانگین اندازه نانوذرات نقره بین 36-26 نانومتر تخمین زده میشود. شکل :1 تصاویر SEM - راست - نانو لوله های TiO2 خالص و - چپ - نانولوله های آلایش یافته با نانوذرات نقره میانگین قطر نانولولهها حدود 85-90 نانومتر میباشد، پس از آلایش نقره روی نانولولهها، قطر حفرهها به -72 82 نانومتر کاهش یافته است. این در واقع نشاندهنده آن است که نانوذرات نقره در هر دو طرف سطح داخلی و خارجی نانولولهها نشانده شدهاند و موجب کاهش در قطر شده است.
شکل 2، الگوی پراش ایکس نمونههای Ag/TiO2 را نشان میدهد. سه قله در زاویههای 56، 46/9 و 29/4 نشان داده شده که فاز کریستالی آناتاز TiO2 را نشان میدهد. دو قله در زوایای 64 و 43/2 مربوط به قلههای نقره فلزی میباشد. شکل :2 الگوی پراش اشعه ایکس نمونه نانولوله TiO2 لایه نشانی شده با نانوذرات نقره برای اندازهگیریهای فوتوالکتروشیمیایی نمونهها از یک سیستم سه الکترودی استفاده شده است.
به طوری که نمونههای Ag/TiO2 الکترود کار، پلاتین الکترود شمارنده و الکترود مرجع، الکترود Ag/AgCl که با محلول 3 مولار KCl اشباع شده میباشد. الکترولیت نیز محلول 0/1 مولار Na2SO4 میباشد. منبع تابش نور یک لامپ زنون 100 وات میباشد. نمودارهای کرونوآمپرومتری و جریان-ولتاژ نمونههای TiO2 آلاییده شده با نقره در غلظتهای مختلف پیش ماده برای بدست آوردن سایزهای مختلف نانوذرات نقره در نمودارهای 3 و 4 نشان داده شده است.
