بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش نانوذرات زیرکونیا به روش تخلیه قوس الکتریکی جریان مستقیم در مایع سنتز و خواص نوری و ساختاری و همچنین سازوکار تشکیل نانوذرات آن مطالعه شد. برای سنتز نانوذرات، قوس الکتریکی با استفاده از منبع جریان مستقیم بین دو الکترود خالص زیرکونیوم در محیط آب با اعمال جریان 120 آمپر ایجاد شد. طیفسنجی مریی فرابنفش، پراش پرتو ایکس و میکروسکوپ الکترونی روبشی به ترتیب جهت تعیین خواص نوری، ساختار بلوری و شکل و اندازه ذرات مورد استفاده قرار گرفت. نتایج بدست آمده از طیفسنجی مریی فرابنفش نشان میدهد نانوذرات سنتز شده در طول موجهای بلند جذب کمی دارند و در طول موجهای خیلی کوتاه جذب افزایش مییابد که این نتیجه با گاف محاسبه شده 4/4 الکترونولت سازگاری دارد . الگوی پراش پرتو ایکس تشکیل مخلوطی از نانوذرات زیرکونیا با ساختار بلوری تتراکونال و مونوکلینیک را تایید میکند. مطالعات میکروسکوپ الکترونی روبشی نمونه نشان میدهد که نانوذرات کروی با نسبت ابعادی نزدیک یک با میانگین اندازه 22 نانومتر تشکیل شده است. در نهایت سازوکار تشکیل نانوذرات زیرکونیا با دو سازوکار اکسایش در هنگام سنتز در اثر واکنش گونههای فعال در پلاسما و اکسایش تدریجی نانوذرات در پلاسما پیشنهاد شد.
کلمات کلیدی: نانوذرات زیرکونیا ، خواص نوری، تخلیه الکتریکی در مایع، سازوکار تشکیل
مقدمه
اکسید زیرکونیوم، که با نام زیرکونیا نیز شناخته میشود، یک نیمرسانا با گاف انرژی در محدوده 3 تا 5/7 الکترنولت بوده که دارای پایداری شیمیایی بالا، چقرمگی شکست بالا، رسانایی گرمایی کم، شفافیت نوری مناسب، پایداری و انبساط حرارتی بالا است، که با دارا بودن این خواص به عنوان یک ماده مهم در کاربردهای نوری، فناوری سرامیک، نسوزها، حسگر اکسیژن، سلولهای سوختی و فناوری هستهای بهکار میرود.[1-5] زیرکونیا همچنین دارای خاصیت زیستسازگاری بوده که امکان استفاده از آن را در حوزه فناوری زیستی فراهم میآورد.زیرکونیا در سه ساختار بلوری مونوکلینیک، تتراگونال و مکعبی وجود دارد. ساختار پایدار این اکسید در دمای اتاق و فشار جو، مونوکلینیک بوده که این ساختار در دمای 1170 درجه سانتیگراد به تتراگونال و در 2370 درجه سانتیگراد به مکعبی تبدیل میشود.
در سالهای اخیر سنتز نانوذرات زیرکونیا، به روشهای گوناگونی مانند سل-ژل، پلاسمای حرارتی، زیستی و کندوپاش لیزری انجام شد، که ویژگیهای نانوذرات زیرکونیا، مانند ابعاد، توزیع اندازه ذرات، ریخت، درصد فازهای پایدار و خواص نوری و الکتریکی، بررسی شد8]،7،6،.[2برای نمونه، در پژوهشی سنتز نانوذرات زیرکونیا به روش پلاسمای حرارتی، در فشارهای کاری مختلف انجام شد. نمونه تولید شده در فشار 1/33 بار، که شامل دو فاز تتراگونال و مونوکلینیک بود، بیشترین فعالیت فوتوکاتالیستی را نشان داد.[2] همچنین در پژوهشی دیگر دیگر سنتز نانوذرات زیرکونیا به روش سل-ژل صورت گرفت که مخلوطی از دو فاز تتراگونال و مونوکلینیک با اندازه ذرات بین 10 تا 30 نانومتر تولید شدند و اثر افزودنیهای آلی مانند گلوکوز و فروکتوز برروی پایداری فازهای بدست آمده بررسی شد، این افزودنیها منجر به کاهش تشکیل فاز مونوکلینیک و درنتیجه پایداری فاز تتراگونال میشوند.[6] سنتز نانوذرات زیرکونیا برپایه یک روش زیستی به ساخت نانوذراتی با توزیع اندازهی بین 50 تا 100 نانومتر منجر شد .
نتایج تحلیل پراش پرتو ایکس نشاندهنده بهدست آمدن ساختار تتراگونال پس از گرمادهی در دمای 450 درجه سانتیگراد بود و اندازه گاف انرژی بدست آمده حاصل از آزمایش عبور نور مریی فرابنفش برابر 5/4 الکترون ولت بهدست آمد.[7]در مقایسه با روشهای موجود، در این پژوهش روش تخلیهالکتریکی جریان مستقیم در محیط مایع به دلیل دارا بودن ویژگیهایی مانند تجهیزات ساده، تک مرحلهای بودن، عدم نیاز به تجهیزات جمعآوری نانوذرات، سازگاری با محیطزیست، خلوص بالای ذرات تولید شده و سرعت بالای فرایند سنتز نانوذرات، به عنوان شیوهی مورد استفاده برای سنتز نانوذرات زیرکونیا مورد استفاده قرار گرفت.[9] آب بدون یون برای انجام بسیاری از واکنشهای شیمیایی و تولید نانومواد به ویژه نانوذرات اکسیدی به عنوان یک محیط مناسب شناخته شده است. از این روی از آب به عنوان مایع مورد استفاده برای انجام آزمایش تخلیه الکتریکی و تولید نانوذرات اکسیدزیرکونیوم استفاده شد. همچنین شکل، اندازه، نسبت ابعادی، ساختار بلوری و ویژگیهای نوری ذرات تولید شده مورد بررسی قرار گرفت.
مواد و روش آزمایش
نانوذرات زیرکونیا به روش تخلیه الکتریکی در مایع با برقراری جریان 120 آمپر سنتز شد. سامانه مورد استفاده شامل دو الکترود از جنس زیرکونیوم با خلوص 99 درصد به عنوان آند و کاتد، ظرف حاوی آب بدون یون به عنوان محیط انجام فرایند تخلیه الکتریکی، یک اهرم برای تنظیم فاصله بین آند و کاتد و یک منبع تغذیه جریان مستقیم با توان بالا است. شکل 1 چیدمان آزمایشگاهی مورد استفاده جهت سنتز نانوذرات اکسید زیرکونیوم را نشان میدهد. پس از برقراری جریان 120 آمپر، تخلیه الکتریکی همراه با تابش پرشدت نور به رنگ سفید مایل به زرد بین دو الکترود روی میدهد. افزایش دما در اثر تخلیه الکتریکی ابتدا منجر به ذوب شدن و سپس تبخیر شدن الکترودها میشود.
با عبور جریان الکتریکی بخار حاصل تبدیل به پلاسما خواهد شد، علاوه بر این، در طی این فرایند بخشی از آب اطراف الکترودها نیز تبخیر و تبدیل به پلاسما خواهد شد، در نتیجه گونههای مربوط به الکترودهای زیرکونیوم و همچنین سایر گونههای حاصل از شکستن مولکول آب در پلاسما حضور دارند. گونههای برانگیخته همراه با انبساط بخار ایجاد شده درون محیط مایع پخش شده و در اثر کاهش دما جوانهزنی و به هم پیوستن اتمها و گونههای برانگیخته صورت میگیرد، علاوه بر این، واکنشهای شیمیایی از جمله اکسایش میتواند در اثر واکنش گونههای مختلف روی دهد . برای بررسی شکل و اندازه ذرات تولید شده از میکروسکوپ الکترونی روبشی استفاده شد و همچنین ویژگی ساختاری و خواص نوری ذرات، به ترتیب توسط آنالیز پراش پرتو ایکس و طیف سنجی عبور نوری مطالعه شد.
