بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق، نانوذرات دياکسید تیتانیم آلاییده با نیکل به روش سل-ژل با درصدهاي متفاوت مولی 0/05، 0/10، 0/50، 1/00 و 2/00 در دماي حرارتدهی 700°C تولید شدند. ماهیت و ساختار نانوذرات تولید شده با استفاده از تکنیک پراش پرتو ایکس - XRD - مورد بررسی قرار گرفت. الگوهاي XRD نشان داد که نانوذرات تولید شده داراي فاز ترکیبی آناتاز و روتیل دياکسید تیتانیم میباشند. بهمنظور بررسی اثر عنصر Ni روي خواص فوتوکاتالیستی نانوذرات TiO2، از آزمایش تخریب و تجزیهي آلایندهي رنگ قرمز کنگو تحت تابش فرابنفش استفاده شد. نتایج نشان داد که براي نانوذرات آلایش شده با نیکل، در درصد مولی 0/10 بهترین نتیجه حاصل شد. براي بررسی فعالیت فوتوکاتالیستی از دستگاههاي فوتورآکتور و طیفسنج نور UV استفاده شده است.
-1 مقدمه
در سالهاي اخیر استفاده از نیمرساناها بهعنوان فوتوکاتالیست براي تخریب آلودگیهاي آلی خیلی زیاد شده است. بهعلت ویژگیهاي نوري و الکتریکی، قیمت پایین، فعالیت فوتوکاتالیستی بالا، ثبات شیمیایی، غیرسمی بودن، فراوانی و در دسترس بودن و عدم فرسایش و خوردگی در مقابل نور از دياکسید تیتانیم بهعنوان فوتوکاتالیست رایج استفاده میشود 2]،.[1 علیرغم خواص منحصر بهفرد این اکسید، بهدلیل گاف انرژي بزرگ و بازترکیب سریع زوج الکترون-حفره، کاربرد این اکسید داراي محدودیت- هایی میباشد .[3] گاف انرژي بزرگ آن موجب شده که این اکسید تنها طول موجهایی در محدودهي نور فرابنفش - λ<387nm - را جذب کند و استفاده از منابع تابش با طول موج طولانیتر یا فرکانس پایینتر را محدود کند.
آلایش دياکسید تیتانیم با فلزات واسطهاي از قبیل آهن، وانادیم، منگنز، کروم و نیکل باعث بهبود خواص فوتوکاتالیستی آن میشود .[4] در این تحقیق براي تهیهي نانوذرات دياکسید تیتانیم خالص و آلاییده به نیکل از روش سل فرابنفش مانند نور خورشید و لامپ فلوئورسنت قرار نگیرند. ژل استفاده شده است. خاصیت فوتوکاتالیستی نانوذرات تولید شده سپس بهمنظور جداسازي نانوذرات از محلول رنگ، نمونهها با با تجزیهي رنگ قرمز کنگو بررسی شدهاست. استفاده از سانتريفیوژ صاف شده و در انتها از هر سري از نمونهها طیف جذبی گرفته شده است.
-2 روش تجربی
- 1-2 تولید نانوذرات: نانوذرات TiO2 آلاییده به Ni با استفاده از روش سل-ژل بهصورت زیر تهیه شدند: ابتدا 3ml محلول تترا- ایزوپروپیل اورتوتیتانات - TTIP - در 50ml مخلوط اتانول- اسیدنیتریک - pH=3 - حل میشود. محلول بهدست آمده شیري رنگ میباشد. با اضافه کردن محلول Ni - NO3 - 2 به مدت 90 دقیقه سل بهوجود میآید - این مرحله در ساخت نانوذرات خالص وجود ندارد - . مقادیر - NiO/TiO2 - Ni بهصورت 0/05، 0/10، 0/50، 1/00 و 2/00 مول درصد در نظر گرفته شدند. سل بهدست آمده، براي هیدرولیز کامل TTIP به مدت 24 ساعت در دماي اتاق نگه داشته میشود و ژل حاصل میشود. رسوب بهدست آمده فیلتر و توسط اتانول و آب مقطر شسته میشود. نمونهها در دماي 110°C به مدت 1 ساعت خشک و سپس در دماي 700°C به مدت 3 ساعت آهکی و بلوري میشوند.
- 2-2 بررسی تجزیهي فوتوکاتالیستی رنگ قرمز کنگو با استفاده از نانوذرات تولید شده: ابتدا محلول رنگ با غلظت 20mg/lit از طریق حل کردن پودر رنگ قرمز کنگو در آب دو بار تقطیر شده - DI - تهیه میگردد. 100ml از محلول رنگ برداشته و در حالی که محلول رنگ در تاریکی همزده میشود، در دفعات مختلف هر کدام از نانوذرات با غلظت 1g/lit به محلول اضافه میشوند. به-منظور از بین رفتن زوج الکترون-حفرههاي موجود در محلول و حذف اثر جذب سطحی رنگ توسط نانوذرات، محلول بهمدت 30 دقیقه در تاریکی همزده میشود - آزمایش تاریکی - . در ادامه با استفاده از فوتورآکتور محلول بهمدت 180 دقیقه تحت تابش پرتو فرابنفش قرار میگیرد. جهت بررسی میزان رنگ تجزیه شده، در بازههاي زمانی 30 دقیقهاي - در زمانهاي 30، 60، 90، 120، 150و 180 دقیقه - از محلول نمونهبرداري شد.
-3 نتایج و بحث
- 1-3 الگوي پراش :XRD شکل 1 الگوي پراش XRD نانوذرات TiO2 آلایش شده با Ni با درصدهاي مولی 0/05، 0/10، 0/50، 1/00 و 2/00 که در دماي 700°C به مدت 3 ساعت حرارتدهی شدند، را نشان میدهد. با بررسی الگوي پراش مشاهده میشود که نانوذرات آلاییده شده ترکیبی از فازهاي روتیل و آناتاز دياکسید یتانیم میباشند. با افزایش درصد مولی آلایش درصد فازهاي روتیل و آناتاز به ترتیب کاهش و افزایش مییابند.
در واقع افزودن Ni مانع رشد فاز روتیل میشود. در درصدهاي مولی 0/05 و 0/10 هیچگونه قلهي اضافهاي مربوط به NiO دیده نمیشود و این نتیجه نشان میدهد که بعضی از یونهاي Ni2+ جانشین یونهاي Ti4+ در چارچوب بلوري TiO2 شدهاند. یون-هاي Ni2+ بهطور یکنواخت در میان جایگاههاي شبکهي TiO2 توزیع شدند و هیچ تجمعی از آنها وجود ندارد. در غلظتهاي مولی بیشتر از 0/10 قلهي کوچکی تقریباً در زاویهي پراش 30˚ ظاهر شده که میتوان آن را به ترکیبات نیکل نسبت داد.
آزمایش فوتوکاتالیستی بهصورت تابعی از زمان تابش اشعهي
فرابنفش به محلول رنگی حاوي نانوذرات آلایش یافته با نیکل با درصدهاي مولی - A1 - 0/05، - A2 - 0/10، - A3 - 0/50، - A4 - 1/00 و - A5 - 2/00 که طی حرارتدهی در دماي700˚ C تولید شدهاند را نشان میدهد. براي مقایسهي تجزیهي فوتوکاتالیستی رنگ قرمز کنگو توسط نانوذرات دياکسید تیتانیم آلاییده به نیکل، با مقادیر مختلف اکسید نیکل، نمودار C/C˳ برحسب زمان تابش اشعهي فرابنفش در شکل 3 نشان داده شده است. C˳ غلظت اولیهي محلول صاف شدهي رنگ قرمز کنگو پس از 30 دقیقه هم خوردن در تاریکی، دقیقاً قبل از روشن کردن لامپ فرابنفش، و C غلظت رنگ طی آزمایش فوتوکاتالیستی، در بازههاي زمانی 30 دقیقهاي پس از شروع تابش فرابنفش میباشد.
مشاهده میشود که نانوذرات دياکسید تیتانیم آلاییده با 0/10 درصد مولی آلایش - نمونهي - A2 بهتر از دیگر نانوذرات در حذف رنگ کنگو عمل کرده و در 1 ساعت اول حدود 50 درصد رنگ قرمز کنگو را تجزیه کرده است. این نمونه پس از گذشت 3 ساعت تقریباً70 درصد رنگ ر ا تجزیه کرده است. کارایی فوتوکاتالیستی نمونههاي دياکسیدتیتانیم آلاییده به نیکل بهصورت A2>A4>A5>A3>A1 تغییر میکند. همانطور که مشاهده می-شود با افزایش درصد مولی آلایش روند خاصی در فعالیت فوتوکاتالیستی نمونههاي آلاییده دیده نمیشود. دلیل این تغییرات نامنظم را میتوان به ساختار بلوري این نانوذرات نسبت داد.
در قسمت مربوط به الگوي پراش اشعهي ایکس ذکر شد نانوذرات دياکسید تیتانیم آلاییده به نیکل ترکیبی از فازهاي آناتاز و روتیل میباشند و با افزایش درصد مولی نیکل، درصد فاز آناتاز و روتیل بهترتیب افزایش و کاهش مییابند. کارایی فوتوکاتالیستی نانوذرات دياکسید تیتانیم در فاز آناتاز بیشتر از کارایی این نانوذرات در فاز روتیل میباشد و هر چه نانوذرات بیشتر در فاز آناتاز بلوري شده باشند، این کارایی بیشتر افزایش خواهد یافت.
