بخشی از مقاله
چکیده
اکسید تنگستن برنزه به دلیل خواص و ویژگیهای جالب الکتروشیمیایی، اپتیکی و الکترونیکی در سالیان اخیر به شدت مورد توجه قرار گرفتهاند. در این پژوهش فیبرهای اکسید تنگستن آلاییده شده با سزیم به روش الکتروریسی ساخته شدند. در ابتدا به منظور حذف پلیمر عملیات پخت در هوا در دمای 500 ºC انجام شد. در ادامه از پخت در محیط هیدروژن در دمای 650 ºC برای تشکیل اکسید تنگستن برنزه استفاده میشود.
ساختار کریستالی و مورفولوژی نمونهها با روشهای آنالیز XRD و SEM بررسی شد. نتایج بدست آمده نشان دهندهی تشکیل اکسید تنگستن فلزی - Cs0,66WO3,33 - و اکسید تنگستن برنزه - Cs0,5WO3 - با ساختارهای کریستالی مکعبی به ترتیب پس از پخت در محیط هوا و محیط هیدروژن است. همچنین نتایج میکروسکوپ الکترون روبشی نشان میدهد نانوفیبرهای توخالی اکسید تنگستن برنزه پس از پخت در محیط هیدورژن تشکیل شده است.
مقدمه
پژوهشهای انجام شده در چند سال اخیر نشان میدهد یک سری از مواد ترکیبی ساخته شده بر پایه اکسید تنگستن - از قبیل NaxWO3، RbxWO3 و - CsxWO3 جذب بالایی در ناحیه فروسرخ نزدیک از خود نشان میدهند. [ 3-1 ] این دسته از مواد با عنوان اکسید تنگستن برنزه شناخته میشوند و به طور وسیعی در کاربردهای متنوع از قبیل فوتوکاتالیستها، پنجرههای هوشمند، حسگرهای گازی و وسایل الکتروکرومیک مورد بررسی قرار گرفته-اند .[2] اکسید تنگستن برنزه دارای ساختارهای کریستالی مختلفی از قبیل مکعبی، تتراگونال و هگزاگونال است.
این ساختارها عموما متشکل از اکتاهدرال WO6 به عنوان واحد ساختاری مبنا هستند که از تونلهای یک بعدی با اندازه ها و شکلهای گوناگون تشکیل شدهاند. با نفوذ فلزات قلیایی در فواصل بینابین این ساختارها، اکسید تنگستن برنزه - K, Rb and Cs تشکیل میشود. ساختارهای شامل اکسید تنگستن برنزه حتی در غلظت کم میتوانند خاصیت جذب بالای نور فروسرخ نزدیک را داشته باشند.[4] فرمول اکسید تنگستن فلزی و اکسید تنگستن برنزه به ترتیب بصورت MxWO3+x/2 - M xW6+O3+x/2 - و MxWO3 - MxW1-x6+Wx5+O3 - است.
احیاء اکسید تنگستن فلزی به اکسید تنگستن برنزه به راحتی و با پخت در یک محیط احیاء کنندهای از قبیل H2/N2 انجام میشود و برعکس اکسید تنگستن برنزه با پخت در هوا به اکسید تنگستن فلزی اکسید میشود .[5] تا به امروز با وجود آنکه نانوساختارهای مختلفی از اکسید تنگستن برنزه و اکسید تنگستن فلزی ساخته شده است، اما نانوفیبر آنها با روش الکتروریسی تا به امروز ساخته نشده است. بنابراین در این پژوهش ساخت و مشخصهیابی نانوفیبرهای اکسید تنگستن فلزی و اکسید تنگستن برنزه به روش الکتروریسی انجام میشود.
مواد و روشها
مواد اولیه مورد استفاده در این پژوهش شامل اسید تنگستیک - H2WO4 - ، کربنات سزیم - Cs2CO3 - ، پلیمر پلی وینیل پیرولیدن PVP - ، با وزن مولکولی 000،300، - Mw: 1 و اسید سیتریک - C6H8O7 - است. همچنین از پراکسید هیدروژن - H2O2 - به عنوان حلال و از آمونیاک - NH3 - برای بازی کردن محیط استفاده می-شود. در این پژوهش از روش الکتروریسی برای ساخت نانوفیبرهای سزیم تنگستن برنزه استفاده شده است. در فرایند الکتروریسی یک میدان الکترواستاتیکی قوی بین نازل ظرف حاوی محلول پلیمری متصل به یک پمپ تزریق دقیق و صفحهی جمع کننده اعمال میشود. هنگامی که نیروی الکتریکی بر کشش سطحی قطره پلیمری در نوک نازل غلبه کند، جت الکتروریسی تشکیل شده و نانوفیبرها بر روی صفحه جمع کننده قرار میگیرند - شکل .[6] - - 1 -
شکل - 1 - شماتیکی از فرآیند الکتروریسی
به منظور آماده سازی محلول الکتروریسی ابتدا مقدار 0/76 گرم اسید تنگستیک در 4/5 گرم پراکسید هیدروژن با همزدن مغناطیسی در دمای 50 œC به مدت 1 ساعت حل شده و سپس به منظور شفاف و بازی شدن محلول 0/9 گرم آمونیاک به آن اضافه میشود. پس از آن مقدار 2 گرم اسید سیتریک و 0/33 گرم کربنات سزیم نیز به محلول اضافه میشود. در نهایت پلیمر PVP با درصد وزنی %27 به محلول اضافه شد. محلول نهایی ساخته شده به مدت 12 ساعت تحت همزدن مغناطیسی قرار گرفت. به منظور انجام فرآیند الکتروریسی محلول ساخته شده به یک سرنگ پلاستیکی، که به یک منبع ولتاژ 20 kV متصل است، انتقال داده میشود.
یک ورقه آلومینیومی برای جمع کردن محلول الکتروریسی شده در فاصله 10 cm از نوک سوزن قرار گرفت. فرآیند الکتروریسی با نرخ تزریق 0/5 ml/h انجام شد. در نهایت نانوفیبرهای الکتروریسی شده در هوا و در دمای 500 œC با نرخ دمایی یک درجه بر دقیقه به مدت 2 ساعت پخت شدند. سپس به منظور احیا اکسید تنگستن فلزی به اکسید تنگستن برنزه نمونهها در محیط احیا کننده H2/Ar در 650 œC به مدت 2 ساعت پخت شدند. عکس نمونه پخت شده در محیط هیدروژن در شکل - 2 - آورده شده است. که نشان دهند رنگ آبی نمونه ساخته شده است.
نتایج و بحث
برای بررسی خاصیت بلوری نمونهها از آنالیز XRD استفاده شد و شناسایی پیکها با نرم افزار Xpert انجام گرفت. نتایج آنالیز XRD نشان میدهد نمونه خشک شده پس از فرایند الکتروریسی ساختار آمورف دارد و پخت نمونه در دمای 500 °C در هوا منجر به تشکیل فاز بلوری میشود. بنابراین به نظر میرسد فاز بلوری در اثر پخت و بازآرایی نظم اتمها در حین پخت ایجاد میشود. شکل -3 - الف - طیف XRD نمونه پخت شده در دمای 500 °C در هوا را نشان میدهد. قلههای مشاهده شده با دقت بسیار زیادی با کارت استاندارد شماره - - JCPDS NO 00-044-0017 تطابق دارد، که نشاندهندهی تشکیل فاز Cs0,66WO3,33 با ساختار بلوری مکعبی است. پیکهای موجود در زوایای 24/66، 28/94، 30/22، 46/02، 50/38، 59/98، 70/64 در این کارت منطبق بر صفحات نشان داده شده در شکل 3 - الف - است.
شکل - 3 - الگوی پراش پرتو ایکس نانوفیبرهای - الف - پخت شده در دمای 500 °C در هوا - ب - نمونه ای که پس از پخت در هوا در دمای 650 °C هیدروژن پخت شده است - ج - ساختار کریستالی مکعبی اکسید تنگستن برنزه به منظور بررسی اثر پخت در محیط هیدروژن بر فاز و ساختار بلوری، نمونههای پخت شده در هوا در دمای 650 °C در محیط هیدروژن پخت شدند. نتایج آنالیز پراش پرتو ایکس این نمونهها در شکل - 3 -ب - نشان میدهد فاز Cs0,5WO3 با ساختار بلوری مکعبی مطابق با کارت استاندارد - JCPDS NO 01-081-1259 - ساخته شده است. این نتایج نشان دهنده تبدیل نانوفیبرهای اکسید تنگستن فلزی Cs0,66WO3,33 با فرمول عمومی MxWO3+x/2 به نانوفیبرهای اکسید تنگستن برنزه Cs0,5WO3 با فرمول عمومی MxWO3 در اثر پخت در محیط احیاکننده هیدروژن است. ساختار کریستالی مکعبی اکسید تنگستن برنزه در شکل 3 - ج - نشان داده شده است.
