بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، لایه های نازک اکسید روی به روش حلال گرمایی سنتز شدند و به منظور بهبود خواص فوتوکاتالیستی، با کوانتوم دات های گرافین ترکیب شدند. لایه های حاصل با آنالیزهای SEM، AFM، XRD، جذب فرابنفش-مرئی و گسیل فوتولومینسانس مطالعه شدند. پهنا و ضخامت کوانتوم دات های گرافین به ترتیب 30 نانومتر و 3-1 نانومتر برآورد شدند. طول و قطر نانومیله های اکسید روی به ترتیب 500 و 90 نانومتر برآورد شدند. نهایتا نشان داده شد که ورود کوانتوم دات های گرافین به ساختار نانومیله های اکسید روی می تواند خاصیت فوتوکاتالیستی آن را بهبود بخشد.
مقدمه
فوتوکاتالیست به دسته ای از مواد گفته می شود که تحت تابش نور فعال می شوند و برای تجزیه ملکول ها و باکتری ها و تجزیه آب برای تولید هیدروژن و ... به کار می روند. پر کاربردترین فوتوکاتالیست ها دی اکسید تیتانیوم و اکسید روی هستند. اکسید روی، که نیم رسانایی با گاف نواری حدودا eV 3,37 است، به دلیل ویژگی هایی که دارد، از جمله تولید ارزان و قابلیت تولید در شکل های مختلف، در این حوزه بسیار مورد توجه است. از سوی دیگر تلاش می شود تا نقاط ضعف موجود در کاربرد اکسید روی به عنوان فوتوکاتالیست رفع گردد، از جمله بازترکیب سریع الکترون و حفره های تولید شده. گرافین به دلیل سطح موثر زیادی که دارد و می تواند الکترون های زیادی را بر روی خود جای دهد، می تواند با ربایش الکترون های تولید شده منجر به کاهش آهنگ بازترکیب و نتیجتا فعال ماندن خاصیت فوتوکاتالیستی به مدت طولانی تر شود. از طرف دیگر کوانتوم دات های گرافین، به دلیل ساختاری که دارند و منجر به داشتن میزان زیادی لبه ی فعال و آماده ی برقراری پیوند می گردند، می توانند بهبود بیشتری را در خاصیت فوتوکاتالیستی اکسید روی ایجاد کنند. در این مقاله، تاثیر وارد کردن کوانتوم دات های گرافین بین نانومیله های اکسید روی بر خاصیت فوتوکاتالیستی را بررسی می کنیم.
روش های تجربی
کوانتوم دات های گرافین به روش پایرولیز اسید سیتریک سنتز شد. 2 گرم اسید سیتریک در یک بشر ریخته شد و در دمای 200 درجه سانتیگراد به مدت 0,5 ساعت حرارت دهی شد و نهایتا، پس از سرد شدن، با افزودن محلول آبی NaOH به pH=7 رسانده شد. سنتز لایه های نازک نانومیله های اکسید روی شامل دو مرحله بود: - 1 - ساخت بستر شیشه ای دانه گذاری شده با نانوذرات اکسید روی و - 2 - رشد نانومیله های اکسید روی بر روی بسترهای تهیه شده به روش حلال گرمایی. نخست استات روی دو آبه با غلظت 0,05 مولار و دی اتانول آمین با غلظت 0,06 مولار در اتانول حل شدند و محلول حاصل به مدت 30 دقیقه در دمای 60 درجه سانتیگراد هم زده شد.
محلول تهیه شده بر روی بسترهای شیشه با روش لایه نشانی چرخشی لایه نشانی شد 3000 - دور در دقیقه به مدت 30 ثانیه - . لایه های تهیه شده به مدت 10 دقیقه در دمای 200 درجه خشک شد و برای رسیدن به ضخامت کافی این فرایند 5 بار تکرار شد. نهایتا لایه ها به مدت 1 ساعت در 400 درجه بازپخت شدند. لایه های تهیه شده در محلول آبی نیترات روی 0,001 مولار و هیدروکسید سدیم 0,1 مولار به مدت 90 دقیقه در دمای 70 درجه به صورت وارون نگاه داشته شدند تا فرایند رشد انجام گیرد. نهایتا لایه ها به مدت 1 ساعت در دمای 400 درجه بازپخت شدند. برای سنتز لایه های کامپوزیت اکسید روی/کوانتوم دات گرافین، از روش لایه نشانی غوطه وری استفاده شد. لایه های تهیه شده به مدت 30 ثانیه در محلول کوانتوم دات تهیه شده نگاه داشته شدند و با سرعت 30 میلیمتر بر دقیقه خارج شدند و ده دقیقه در دمای 90 درجه خشک شدند. این کار به مدت 4 بار تکرار شد تا مقدار کافی کوانتوم دات در بین نانومیله ها تجمع یابد.
تست فوتوکاتالیستی
برای بررسی خاصیت فوتوکاتالیستی لایه های تهیه شده، رنگ زدایی از 15 سی سی محلول 4 مولار متیلن بلو بررسی شد. به منظور دست یابی به تعادل بین جذب و واجذب، نمونه ها چند ساعت در تاریکی در محلول متیلن بلو نگاه داشته شدند. از یک لامپ متال هالید 250 وات برای نوردهی لایه ها استفاده شد. حدود 1 سی سی از محلول ها در فواصل منظم برای گرفتن طیف جذب فرابنفش-مرئی برداشته می شد.
مشخصه یابی
الگوهای پراش پرتوی ایکس با استفاده از پراش سنج پرتوی ایکس Philips با تابش Cu-Kα اندازه گیری شد. طیف های جذب فرابنفش-مرئی با استفاده از طیف سنج نوری Unico 4802 به دست آمدند. تصاویر SEM با استفاده از دستگاه Philips XL30 گرفته شدند. طیف فوتولومینسانس با استفاده از دستگاه Gilden p otonics fluroSENS به دست آمد. تصویر AFM با استفاده از دستگاه Veeco Autoprobe CP-research به دست آمد.
نتایج و بحث
شکل 1 طیف جذب فرابنفش-مرئی - منحنی چپ - و شدت گسیل فوتولومینسانس - منحنی راست - کوانتوم دات های گرافین سنتز شده را نشان می دهد. بر اساس منحنی سمت چپ، که مربوط به طیف جذب فرابنفش -مرئی سوسپانسیون کوانتوم دات های گرافین است، جذب نوری زیادی در ناحیه فرابنفش مشاهده می شود که البته تا مرز ناحیه مرئی نیز ادامه دارد. پیک جذب ضعیف در حدود 340 نانومتر مرتبط با گذار n⟶ ∗ پیوند C=O و پیک جذب قوی در حدود 240 نانومتر مرتبط با گذار ⟶ ∗ حوزه های sp2 آروماتیک است 1]، .2[ منحنی سمت راست نیز طیففوتولومینسانس محلول کوانتوم دات گرافین را که با طول موج 380 تحریک شده است نشان می دهد. همانطور که معلوم است، پیک گسیل را در 483 نانومتر نشان می دهد، که از رنگ نور گسیل شده - آبی مایل به سبز - توسط محلول نیز مشخص است. این گسیل با ماتریس sp3 اتم های کربن در گرافین مرتبط است. در حقیقت این رنگ آبی مایل به سبز، توسط خوشه هایsp2 با اندازه های حدودا 1 نانومتر که در درون ماتریس sp3 پیوند C-O ایزوله شده اند تولید می شود ]،.4[3
نیز قابل مشاهده است. بر اساس این پروفایل ضخامت این کوانتوم دات ها بین 1 تا 3 نانومتر است که نشان دهنده ی کم بودن تعداد صفحات گرافینی آنهاست. همچنین پهنای این کوانتوم دات ها حدودا برابر است با 30 نانومتر. تصویر SEM نانومیله های اکسید روی نیز در شکل 2 - راست - نشان داده شده است. بر اساس این تصویر، ساختارها به خوبی میله ای شکل رشد کرده اند. میانگین قطر این نانومیله ها برابر با 90 نانومتر محاسبه شد. طول نانومیله ها را نیز می توان به طور متوسط 500 نانومتر برآورد کرد. شکل با * نشان داده شده اند، با کارت JCPDS شماره 01-079-0208 تطبیق داده شدند که بیانگر این است که فاز حاصلوورتزایت است. هیچ پیک دیگری مشاهده نشد که بیانگر این است که در لایه سنتز شده هیچ فاز ثانویه ای وجود ندارد. همچنین، همانطور که دیده می شود، پیک اصلی این ساختار - 002 - ، واقع در 2 34.3œ، است که نشان دهنده ی این است که ساختار به صورت ترجیحی در امتداد محور c بلورهای وورتزایت رشد کرده است، که خود تاییدی است بر شکل میله ای ساختار. اندازه بلورک ها نیز با استفاده از رابطه شرر - D=Kλ/βcos - θ - - برآورد می شود که در آن برابر با طول موج تابش - در اینجا - 1,5406، برابر با زاویه پراکندگی براگ، و برابر با پهنای کامل در نصف بیشینه - FWHM - پراکندگی براگ است. بر اساس این رابطه، اندازه بلورک ها در مقدار 82 نانومتر به دست آمد که بسیار نزدیک به قطر مشاهده شده ی نانومیله ها در تصاویر SEM است.
