بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش برای آلایش آرایه های TiO2 با نانولوله های کربنی - CNT - از روش سل-ژل استفاده کردیم. نمونه ساخته شده با تکنیک های پراش اشعه ایکس - XRD - ، میکروسکوپ الکترونی روبشی - SEM - ، میکروسکوپ الکترونی عبوری - TEM - و طیف سنجی نوری مشخصه یابی شد. مشاهده شد که نمونه ساخته شده با این روش محصولی با فعالیت فتوکاتالیستی قابل قبول می باشد.
مقدمه
یکی از پرکاربردترین نیمههادیها در حوزه فتوکاتالیست و حذف آلایندهها، دی اکسید تیتانیوم است [1] که بهعلّت خواص بسیارمناسب آن بیش از هر ماده دیگری برای پژوهشهای فتوکاتالیستیمورد استفاده قرار گرفته است. برخی از خواص آن که موجب این مسئله شده است عبارتند از: غیرسمّی بودن، ارزان بودن و پایدار بودن آن تا مدّت زمان طولانی. انرژی فاصله ترازهای آن 3/0 تا 3/2 الکترونولت میباشد؛ که با نور فرابنفش با طولموج کوتاهتر از 385 نانومتر میتواند برانگیخته گردد. این ماده پودر سفید رنگیاست که دارای سه فاز کریستالی آناتیس، روتایل و بروکایت میباشد.فقط دو مورد اوّل کاربرد فتوکاتالیستی دارند و در این میان آناتیسدارای فعّالیت بیشتری میباشد.
تلاش های زیادی برای بهبود خاصیت فتوکاتالیستی این ماده انجام شده است که از جمله آنها میتوان به آلائیدن آن با نانوساختارهای کربنی اشاره کرد .[2] در این بین نانولوله های کربنی به دلیل خواص الکتریکی و مکانیکی منحصر به فرد مورد توجه بسیاری قرار گرفته است. دیاکسیدتیتانیوم نیمهرسانای نوع n است اما در حضور نانولولههای کربنی که ممکن است دارای سطح فرمی پایین تری باشند، الکترونهای تولید شده در فتوکاتالیست به سمت سطحنانولولههای کربنی حرکت میکنند. عملکرد نانولولههای کربنی به عنوان چاهکهای الکترونی - به دلیل رسانندگی الکتریکی بالا وظرفیت زیاد ذخیره الکترون - و مهاجرت الکترونها از باند رسانشدیاکسیدتیتانیوم، موجب فزونی حفره در باند ظرفیتدیاکسیدتیتانیوم و تبدیل عملکرد آن به عنوان یک نیمهرسانای نوع p میشود.
نقش دوم نانولولههای کربنی در افزایش فعالیت فتوکاتالیستی دیاکسیدتیتانیوم با عملکرد آن به عنوان یک ماده حساس به نوراست. تابش نور موجب تولید زوجهای الکترون-حفره در نانولولههای کربنی و انتقال آنها به باند رسانش و ظرفیتدیاکسیدتیتانیوم میشود. این افزایش حاملان بار موجب افزایشفعالیت فتوکاتالیستی میشود.نقش سوم نانولولههای کربنی در افزایش فعالیت فتوکاتالیستیدیاکسیدتیتانیوم، حضور پیوندهای C-O-Ti میباشد که به شکل نقصهایی در گاف نواری نیمهرسانا ظاهر شده و باعث کاهش انرژی مورد نیاز برای تولید زوجهای الکترون-حفره به سمت طولموجهای بزرگتر میشود .[3]
روش انجام آزمایش
در این پژوهش برای ساخت نانولوله های کربنی از روش تخلیه قوس الکتریکی الکترودهای کربن با خلوص %99.9 استفاده شده است. همچنین محیط مایعی که برای تخلیه قوس الکتریکی در نظر گرفته شد، آب مقطر بود و جریان اعمالی برای ایجاد قوس الکتریکی، 80 آمپر در نظر گرفته شد.برای ساخت دی اکسید تیتانیوم آلائیده به نانولوله کربنی، از روش سل ژل استفاده کردیم و نانولوله های کربنی را پیش از تبدیل سل به ژل به TiO2 اضافه کردیم.مقدار محصول نهایی TiO2 که به روش سل-ژل ساخته می شود حدود 7 گرم می باشد. بنابراین برای به دست آوردن آلایشی با نسبت 1 به 5 - که نسبت بهینه برای بهبود فعالیت فتوکاتالیستی می باشد - نیاز به 1/4 گرم نانولوله کربنی داریم. این مقدار CNT را با 10 سی سی اتانول مخلوط کرده و به مدت 30 دقیقه تحت امواجفراصوت قرار دادیم تا محلول کاملا یکنواخت شود. سپس 1 سی سی تترا کلرید تیتانیوم - TiCl4 - را به آرامی به محلول فوق اضافهکردیم. بعد از آن سل حاصل را به مدت 6 ساعت در دمای 100 درجه سانتی گراد خشک کرده و به مدت 2 ساعت در دمای 450 درجه سانتی گراد قرار دادیم.
نتایج و بحث
شکل1 طیف پراش اشعه ایکس سل دی اکسید تیتانیوم و دی اکسید تیتانیوم آلائیده به نانولوله کربنی با درصد وزنی 5 به 1 رانشان می دهد.پیک های ضعیفی در طیف مربوط به نمونه سل دی اکسید تیتانیوم وجود دارد که در نمونه آلاییده شده بعد از عملیات حرارتی تشدید شده اند.در طیف مربوط به نمونه آلاییده شده پیک مشخصه فازآناتیس در 2θ=25/27 مربوط به صفحات - 101 - مشاهده میشود.پیکهای دیگری که در این طیف دیده میشوند 2θ=37/92مربوط به صفحات - 004 - ، 2θ=48/13 مربوط به صفحات - 200 - و2θ=55/1 مربوط به صفحات - 211 - برای فاز آناتیس و
پیکهای 2θ=53/97 مربوط به صفحات - 211 - برای فاز روتایل هستند. مشاهده پیک مشخصه فاز آناتیس و پیکهای بسیار ضعیف فاز روتایل ثابت میکند که فاز غالب نانوذرات دیاکسید تیتانیمسنتز شده فاز آناتیس میباشد.
همچنین پیک 2θ=26/95 که مربوط به صفحات - 002 - گرافیت با ساختار هگزاگونال است، وجود CNT را اثبات می کند.همچنین ظریف سازی طیف پراش اشعه ایکس که توسط نرم افزار maud انجام گرفت نشان می دهد که طیف نمونه ساخته شدههمپوشانی بسیار خوبی با طیف های استاندارد TiO2 و CNT داردواین امر اثبات می کند که نمونه ساخته شده از خلوص بالاییبرخوردار است. سیگمای به دست آمده از محاسبات maud برابربا 1/48 است که نشان دهنده انطباق خوب طیف تئوری و تجربیاست. در این ظریف سازی ما فاز آناتیس TiO2 با کارت استاندارد
شماره 9008213 را به عنوان فاز اصلی در نظر گرفتیم و CNT باکارت استاندارد شماره 980062693 را به عنوان ناخالصی اضافه کردیم. سپس ثابت های شبکه ومکان قرار گیری اتم ها را به دست آوردیم.
در این محاسبات برای TiO2 ثابت های شبکه برابرa=b=3/79 Å و c=9/51 Å به دست آمد. همچنین نتایج به دستآمده نشان دادند که اتم های کربن وارد ساختار شبکه تتراگونالTiO2 نشدند و تنها بین دانههای آن قرار گرفتند. همچنین بااستفاده از رابطه دبی شرر اندازه بلورک های 23nm TiO2 به دست آمده است.تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی در شکل2 آورده شده اند.در این تصاویر حضور ذرات TiO2 بر روی دیواره های CNTقابل مشاهده است. در این نوع روش ساخت هنگامی که ساختارTiO2 در حال شکل گیری است، نانولولههای کربنی در محلول حضور دارند و ذرات TiO2 بر روی دیواره نانولوله ها شکل می گیرند.شکل 3 تصاویر TEM نانوساختارهای CNT-TiO2 را نشان می دهد. همانطور که در تصاویر SEM نیز توضیح داده شد نانوذرات دی اکسید تیتانیوم بر روی جداره نانولوله های کربنی و سرهای فعال آنها به دلیل وجود پیوندهای آویزان تجمع دارند.به منظور بررسی خواص فتوکاتالیستی نمونه سنتز شده، از پودر CNT-TiO2 محلول 1 مولال تهیه کرده و آن را با نسبت حجمی
1:1 با ماده آلی رودامین-ب مخلوط کردیم. سپس محلول حاصلرا تحت تابش نور مرئی قرار داده و با فواصل زمانی یکسان طیفجذبی آنها گرفته شد. مشاهده می شود که شدت بیشینه جذب
