بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق اکسیدگرافیت بهروش شیمیایی هامرز-آفمن ساخته شد و بهعنوان پیشماده جهت تهیهی ورقههای گرافن در نانو کامپوزیت سه جزیی گرافن- نقره-αFe2O3 استفاده گردید. نانوذرات Ag/αFe2O3 پخش شده روی سطح ورقههای گرافن از طریق روش آبی-حرارتی ساخته شدند. بهمنظور تعیین ساختار محصولات بهدست آمده از دستگاه پراش پرتو ایکس XRD و FESEM و FT-IR وEDX برای مطالعه این نانوساختارها استفاده گردیدند. فعالیت فوتوکاتالیستی نمونهها با تجزیه رنگ قرمز کنگو تحت تابش نور UV بررسی شد. مشاهده شد که جذب رنگ روی سطح نانوکامپوزیتها به مقدار گرافن وابسته است. کامپوزیت Ag/αFe2O3-rGO با غلظت 1/8 mg/ml ازGO بالاترین تجزیه تحت تابش نور UV را نسبت به نمونه خالص و سایر کامپوزیتها نشان داد.
مقدمه
امروزه تکنیک فوتوکاتالیست روشی بسیار ارزشمند ، موثر و سبز است که توجه محققین بسیاری را به علت تجزیه کامل رنگ از فاضلاب، سادگی و اقتصادی بودن به خود جلب کرده است. لذا تلاشهای زیادی روی نیمرساناهای اکسید فلزی متمرکز شده است. اخیراً نانوکامپوزیتهای نیمرسانا بهمنظور افزایش فوتوکالیستی برای حذف رنگ و سایر آلایندههای محیط استفاده میشوند.[1] هماتیت - -Fe2O 3 - نیمرسانای نوع n با گاف انرژی 2/1eV بهدلیل هزینه کم، ماهیت غیر سمی، فراوان بودن، پایداری شیمیایی بالا و مقاومت در برابر خوردگی توجه زیادی را بهخود جلب کرده است .[2] گرافن یک آلوتروپ دو بعدی از کربن با ساختار صفحهای لانهزنبوری است که مشاهدهی اثر کوانتومی هال در دمای اتاق، تحرک الکترونی خیلی بالا، مقاومت مکانیکی بالا، انعطافپذیری بالا و نسبت سطح به جرم بالا و صفر بودن گاف انرژی از جمله خواص آن بهشمار میآیند .[4-3] این ویژگیهای گرافن در بهبود فعالیت فوتوکاتالیستی از طریق کاهش بازترکیب الکترونها و حفرهها بسیار موثر و ارزشمند میباشند. در زمینه فوتوکاتالیست اخیرا فوتوکاتالیستهای پلاسمونیک توجه زیادی به خود جلب کردهاند که از نانوذرات فلز نجیب استفاده میکنند.[5] با بررسی جامع ویژگیهای گرافن، هماتیت و اصول LSPR نانوکامپوزیتهای سهجزییAg - - H2O3 /rGO یک ماده بسیار مناسب برای فعالیتهای فوتوکاتالیستی میباشد که در این کار ما به ساخت این نانوکامپوزیت بهروش آبی-حرارتیمیپردازیم.
کار تجربی
در این تحقیق از اکسید گرافن سنتز شده به روش هامرز-آفمن بهعنوان پیش ماده در نانوکامپوزیت استفاده میشود؛ مواد لازم جهت ساخت اکسیدگرافن عبارتند از: پودر گرافیت، سدیم نیترات،
سولفوریکاسید، هیدروژنپراکسید و پتاسیمپرمنگنات و بهمنظور ساخت نانوکامپوزیت Fe2O3 -گرافن از اتانول، نیتراتآهن 9 آبه، استاتسدیم3 آبه استفاده میشود .[6] بهمنظور تهیهی نانوکامپوزیت Ag - - H2O3 /rGO ، اکسیدگرافن با غلظت 1/8 mg/ml بهواسطهی حمام فراصوت در آب پراکنده میشود تا یک محلول شفاف حاصل شود، سپس به محلول GO سونیکیت شده در حال چرخش نیترات آهن 9 آبه و نیترات نقره افزوده و اجازه میدهیم با یک همزن مغناطیسی در دمای اتاق هم-زده شود. اوره و پلیاتیلن گلایگول 4000 را به مخلوط در حال چرخش افروده و بعد از حدود 15 دقیقه محلول همزده شده را به مدت 20 دقیقه در حمام فراصوت قرار میدهیم و در پایان آب دییونایزه به محلول فوق میافزاییم و به اتوکلاو استیل ضدزنگ 100ml منتقل میکنیم و به مدت 8 ساعت در اون در دمای c 180 قرار میدهیم.
محلول حاصل را چند بار با آب و اتانول شستشو داده و در پایان محصول جمع آوری شده را در آون خلا خشک میکنیم . بهروش مشابه، سایر نانوکامپوزیتها با مقادیر متفاوت گرافن تولید و بهصورت Ag/ Fe2O3- rGO نامگذاری شدند. نحوهی بررسی فعالیت فوتوکاتالیستی نمونهها بهمنظور بررسی فعالیت فوتوکاتالیستی ابتدا باید زمان بهتعادل رسیدن جذب و واجذب نمونه در تاریکی بهدست آید، بههمین منظور مقدار 0/03 گرم از نمونه در 100 میلیلیتر از محلول رنگی توسط همزن مغناطیسی حل شد و بهمدت 105 دقیقه در تاریکی قرار گرفت و با فواصل زمانی 15 دقیقه از محلول، نمونه برداری صورت گرفت و نانوکامپوزیت بهوسیله عملیات سانتریفیوژ از محلول جدا و سپس خارج گردید. در نهایت با بررسی طیف UV-vis نمونهها، زمان بهتعادل رسیدن هر نمونه تعیین گردید. در مرحله بعد نانوکامپوزیت را با غلظت متفاوت در محلولهای حاوی رنگ قرار دادیم و پس از گذشت زمان تعادل، نمونهها بهمدت 90 دقیقه در معرض تابش نور UV قرار گرفتند و در نهایت نتایج این آزمایشات با استفاده از طیفسنجی UV-vis مورد بررسی قرار گرفت.
نتایج و بحث
پراش اشعه ایکس
شکل1 الگوی پراش اشعهی ایکس را برای گرافیت طبیعی، اکسیدگرافیت و اکسید گرافن مشاهده میکنیم که قلهی مشاهده شده در 9/68 درجه مربوط به صفحهی - 001 - میباشد، که نشان دهندهی اکسیدشدگی گرافن میباشد و فاصله بین صفحهای 11/4Å میباشد و همچنین الگوی پراش مربوط به نمونه خالص هماتیت-نقره و کامپوزیتها با غلظتهای مختلف GO را نشان میدهد، که با کارت استاندارد - JCPDS79-1741 - و - - JCPDS87-0720 مطابقت دارند. از قله اکسیدگرافن اثری مشاهده نمیشود که در واقع ناشی از این است که ورقههای اکسید گرافن در واکنش حلالیBحرارتی تورق کامل داشتهاند .[7] اندازه بلورکها با استفاده از رابطه شرر اندازهگیری و در جدول 1 نشان داده شد.
طیف سنجی مادون قرمز
بهمنظور تأیید تشکیل گرافن به بررسی گروههای عاملی با استفاده از طیفسنج مادون قرمز میپردازیم. نمودار الف در شکل 2 قله در اطراف 3400 cm-1 را نشان میدهد که متناظر با ارتعاش کششی گروه عاملی -OH میباشد و همچنین سایر قلهها در cm-1 1701/4، 1632/6 cm-1، 1234/6 cm-1 و 1123/2 cm-1 به- ترتیب وجود گروههای عاملی کربونیل، اپوکسی و کربوکسیل را تایید میکنند. در طیف مربوط به کامپوزیت شکل 2ب، مشاهده میکنیم که پس از انجام واکنش حلالی-حرارتی شدت تمامی قلهها در نانوکامپوزیت نسبت به اکسیدگرافن کاهش یافته است. نتایج حاصل از میکروسکوپ الکترونی روبشی شکل 3 نیز تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی - FESEM - را نشان میدهد. شکل 3 الف تصویر ساختار ورقهای اکسید گرافن رانمایش میدهد. در شکل ب تصویر Ag/ Fe2O3خالص و نهایتاً شکل ج، تصویر نانوکامپوزیت سه جزیی Ag - - H2O3 /rGO را نشان میدهد. تصاویر FESEM به خوبی نشان میدهند که با افزایش غلظت گرافن جایگاههای بیشتری برای قرارگیری نانوذرات ایجاد شده و لذا اندازه نانوذرات کاهش مییابد و نانوذرات Ag/ Fe2O3 به خوبی بر روی صفحات گرافن پراکنده شدهاند. با استفاده از نرمافزار"" LJLPL]HU اندازه میانگین ذرات اندازه-گیری شد و در جدول 1 نوشته شده است.
الگوی EDX برای نمونه نانوکامپوزیت وجود C ,Fe, O, Ag را نشان میدهد که تشکیل نانوکامپوزیت Ag - - H2O3 /rGO را تأیید میکند. الگوی EDX نمونه خالص نیز شامل Fe, O , Ag است که تشکیل ماده Ag/ Fe2O3 را به خوبی تأیید میکند. نتایج حاصل از بررسی فعالیت فوتوکاتالیستی نانوکامپوزیت Ag - - H2O3 /rGO با تابش فرابنفش تحریک شده و باعث تجزیه مواد آلاینده میشود. شکل4 نمودار تغییرات جذبی رنگ در حضور نانو کامپوزیت Ag - - H2O3 /rGO را نشان می- دهد. همانگونه که در نمودار الف قابل مشاهده است با تابش نور قله جذب کاهش پیدا کرده است، این امر بیانگر توانایی نانوکامپوزیت Ag/ Fe2O3- rGO در تجزیه این ماده و کاربردهای فتوکاتالیستی آن تحت تابش فرابنفش میباشد. همچنین قسمت ب این شکل مقایسه نمونه خالص و نمونه کامپوزیت شده با گرافن را نشان میدهد، که در واقع افزودن گرافن، باعث بهبود خواص فوتوکاتالیستی شده است.
