بخشی از مقاله
سنتز نانو کامپوزيت ZnO-TiO٢ با استفاده از روش سل ژل
چکيده
امروزه با هدف افزايش کارايي اکسيد تيتانيوم و کاربردي کردن استفاده از آن براي از بين بردن آلودگي ها، نانو کامپوزيت هاي مختلفي با عنصرهاي ديگر توليد شده است ، اين فلزات با تغيير رنج انرژي در باند پايه اکسيد تيتانيوم، الکترون هاي باند ظرفيت تيتان را به گونه مناسب تري برانگيخته مي نمايند و باعث افزايش فعاليت فوتوکاتاليتيک کامپوزيت مي شوند. در اين ميان کامپوزيت ZnO-TiO٢ به دليل ترکيب دو اکسيد فلزي با خاصيت فوتوکاتاليستي خوب، همراه با ويژگيهاي منحصر بفردي که اين اکسيد هاي فلزي دارا مي باشند مورد توجه قرار گرفته است . در اين پژوهش از تيتانيوم تترا ايزو پروپوکسايد (TTIP) و نيترات روي به عنوان پيش ماده با نسبت هاي مولي ١:١ و از اتانول و آب به عنوان حلال استفاده شد. به منظور بررسي رابطه دماي آنيل و ميزان کريستاله شدن پودر حاصل ، عمليات آنيل در محدوده
Cذ٤٠٠ تا ٦٥٠ انجام و به وسيله تفرق سنجي اشعه ي ايکس (XRD) مطالعه گرديد، مورفولوژي کامپوزيت حاصل با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي (SEM) بررسي و اندازه تقريبي دانه ها توسط رابطه شرر محاسبه شد. نتايج نشان مي دهد کامپوزيت ZnO-TiO٢ با موفقيت سنتز شده و در دماي Cذ٤٠٠ حضور هر دو فاز اکسيد تيتانيوم و اکسيد روي مشهود است .
واژه هاي کليدي: کامپوزيت ، فوتوکاتاليست ، اکسيد روي، اکسيد تيتانيوم، سل -ژل
مقدمه
آلودگي زيست محيطي، از جمله آلودگي آب، هوا و خاک، امروزه در حال تبديل شدن به معضلي است که هر روز حادّتر ميشود. در سال هاي اخير، فوتوکاتاليست ها با خاصيت نيمه رسانايي به دليل ظرفيت بالآ، براي حلّ معضلات زيست محيطي بيش از پيش جذّابيت يافته اند [١،٢]. دي اکسيد تيتانيوم (TiO٢) يکي از مهمترين نيمه رساناها با فعاليت فوتوکاتاليتيکي بالاست که غيرسمّي بوده، در محلول آبي پايدار و نسبتاً ارزان است . ويژگي فوتوکاتاليتيک ممتاز TiO٢به دليل باند گپ پهن و عمر طولاني حفره ها و الکترون هاي نوري آن است [٤-٢]. وقتي نور فرابنفش به TiO٢تابيده ميشود، دو نوع واکنش فوتو شيميايي در سطح آن رخ ميدهد. يکي عبارتست از واکنشهاي اکسايش -کاهش مواد جذب شده بر اثر نور، و ديگري تغيير هيدروفيليک (خصوصيت آب دوستي) خود TiO٢بر اثر نور. گونه ي نخست از اوان قرن بيستم شناخته شده است ، امّا گونه ي دوّم منحصراً در پايان اين ف قرنشدک. ترکيب اين دو کارکرد باب جديدي را در کاربرد نوآوارنه و متنوّع
TiO٢، مخصوصاً در زمينه ي ساخت مواد، گشوده است . امّا اين مادّه دو اشکال عمده را در حين فرآيند فوتوکاتاليتيک از خود بروز ميدهد؛ ١- کاربرد پايين طيف خورشيدي و ٢- ميزان نسبتاً بالاي باز ترکيب حفره الکترون. يکي از تلاشهاي صورت گرفته جهت رفع اين دو مشکل تقويت TiO٢با يک مادّه ي ديگر است [١،٥].
اکسيد روي (ZnO)، به عنوان يک فوتوکاتاليست معروف ديگر، با توجّه به اينکه آلاينده هاي زيست محيطي گوناگوني را کاهش داده، بسيار مورد توجّه است . در واقع ، بر اساس گزارشها، ZnO در قياس با TiO٢ از کارايي فوتوکاتاليتيکي بالاتري برخوردار بوده است [٦،٧]. براي نمونه ، ساکسيول و همکاران دريافتند که نانو ذرات اکسيد روي نرخ جذب بالاتري از نانو ذرات TiO٢ دارند. علاوه بر اين ، انرژي باند گپ ZnO مشابه انرژي باند گپ TiO٢(تقريباً eV٢٣)ميباشد[٨]. بنابراين ، فعاليت فوتوکاتاليست TiO٢ را ميتوان به وسيله ي عامل تقويتي ZnO افزايش داد. تاکنون، تلاشهايي جهت اصلاح TiO٢ با استفاده از عامل تقويتي ZnO صورت گرفته است . خصوصيات فيزيکي، شيميايي و فوتو شيميايي کامپوزيت هاي شکل يافته ي ZnO-TiO٢ عمدتاً وابسته به روش ساخت مي باشد[٩،١٠]. به طور مثال، Aal و همکارانش نانو پو درهايZnO-TiO٢ را با روش هيدروترمال سنتز کرده اند [٨]. همچنين Zhang و همکارانش با استفاده از روش کاتدپراني پالسي ماگنترون رآکتيو با جريان مستقيم (DC) و يک هدف مرکّب از تيتانيوم (Ti) و روي (Zn)، فيلم TiO٢تقويت شده با روي (Zn) تهّيه کرده اند در اين ميان فرآيند سل -ژل جهت تهّيه ي نانوکامپوزيت ها، مزيت هاي قابل توجّهي نسبت به ساير روش ها دارد که عبارتند از خلوص بالا، يکپارچگي مناسب ريزساختار کامپوزيت ، سنتز با دماي پايين ، و کنترل آسان شرايط واکنش [٨].
هدف از اين پژوهش سنتز کامپوزيت ZnO-TiO٢ از طريق روش سل -ژل و بررسي تغييرات کريستالي آن در دماهاي مختلف آنيل مي باشد.
مواد و روش تحقيق
مواد شيميايي مورد استفاده که در جدول شماره١ قابل مشاهده است از شرکت Merck آلمان تهيه شد و بدون خالص سازي بيشتر مورد استفاده قرار گرفت . همچنين از محلول اتانول استاندارد (درصد خلوص %٩٩.٨)، هيدرو کلريک اسيد (درصد خلوص % ٣٥.٥) و آب مقطر دو بار تقطير به عنوان مواد اوليه استفاده شد.
جدول : مواد مورد استفاده و فرمول شيميايي آنها
به منظور توليد کامپوزيت ZnO-TiO٢ محلول اوليه هر ماده جدا تهيه و سپس به يک ديگر اضافه گرديد. مراحل طي شده
به منظور سنتز اين کامپوزيت در شکل ١ مشاهده مي شود.
شکل ١: مراحل سنتز کامپوزيت ZnO-TiO٢.
سنتز نانو کامپوزيت ZnO-TiO٢...
براي تهيه سل TiO٢ مواد اوليه (TTIP:HO:EtOH:HCl٢) با نسبت مولي ١.١:٢:١٠:١ با يکديگر مخلوط شد، بدين منظور ابتدا به نصف اتانول مورد نياز تيتانيوم ايزوپوپسکايد به صورت قطره وار اضافه و بعد از ٣٠ دقيقه هم زده شدن بر روي همزن مغناطيسي مخلوط آب دو بار تقطير و هيدرو کلريک اسيد به محلول اوليه اضافه و هم زدن ادامه پيدا کرد تا در نهايت بعد از ٢ ساعت سل شفاف ظاهر شد.
از طرف ديگر سل دوم که شامل نيترات روي مي باشد تهيه گرديد، اين سل از اضافه کردن نيترات روي به نصف ديگر اتانول و يک ساعت چرخش بر روي هم زن مغناطيسي بدست آمد، سپس به صورت قطره وار به سل حاوي تيتانيوم که به شدت در حال هم خوردن بود اضافه شد. در ادامه سل حاوي نيترات روي و اکسيد تيتانيوم به مدت ٢ ساعت در دماي محيط هم زده شد تا سل شفاف و پايدار حاصل گرديد. سل تهيه شده ابتدا در دماي Cذ٦٠ به مدت ٢٤ نگه داري شد و سپس در دماي Cذ١١٠ خشک گرديد. به منظور بررسي ساختارهاي کريستالي و فازهاي بوجود آمده رسوب حاصل در سه دماي Cذ٤٠٠، ٥٥٠ و ٦٥٠ کلسينه شد. فازهاي بوجود آمده در کامپوزيت سنتز شده با استفاده از دستگاه XRD با پرتو
CuKα در ولتاژkV ٥٠ و جريان mA٢٥٠ مورد بررسي قرار گرفت . همچنين اندازه دانه هاي کريستالي طبق رابطه شرر با استفاده از پراش هاي بدست آمده محاسبه شد. بعلاوه مورفولوژي پودر حاصل با استفاده از ميکروسکوپ الکتروني روبشي(SEM) مدل Philips XL٣٠ بررسي گرديد.
نتايج و بحث
دي اکسيد تيتانيوم در سه فاز اصلي روتايل ، آناتاز و بروکيت (سه فاز کريستالي) وجود دارد. از بين اين سه فاز، فاز روتايل پايدارتر است و دو فاز ديگر يعني آناتاز و بروکيت در اثر حرارت به روتايل تبديل مي شوند. فاز آناتاز در مقايسه با فاز روتايل داراي خواص الکتريکي و اپتيکي کاملاً متفاوتي است . فرق بنيادين و اصلي آنها در اين است که فاز آناتاز داراي گاف جذب اپتيکي بسيار پهن تري است و جرم موثر الکتروني کمتري نيز دارد و در نتيجه موبيليتي بسيار بيشتري براي حامل هاي بار ايجاد مي کند. اين خاصيت و ويژگي باعث ميشود که از فاز آناتاز براي کاربردهاي فوتوکاتاليستي استفاده شود[١١،١٢]. شکل ٢ الگوي پراش پرتو X کامپوزيت ZnO-TiO٢ را که در دماهاي مختلف کلسينه شده نشان مي دهد. مشاهده ميشود در دمايC ذ٤٠٠ اکسيد روي و اکسيد تيتانيوم (آناتاز) هر دو سنتز شده اند و هيچ گونه فاز مياني تشکيل نشده لکن با افزايش دما پيک هاي ZnO شديدتر شده و حضور هر دو فاز آناتاز و روتايل در دماهاي بالا کاملاً مشهود است . ميزان تبلور فاز روتايل در دمايC ذ٤٠٠ کم تر مشاهده مي شود و با افزايش دما به ميزان قابل ملاحظه اي افزايش يافته است . در دماي Cذ٤٠٠ پيک هاي شاخص فاز آناتاز درθ٢ هاي ٢٥.١٢ و ٣٧.٧٢ و اکسيد روي درθ٢ هاي
٣١.٨٢، ٤٦.٣٤ و ٣٦.١٩ به وضوح ديده مي شود. افزايش دما تا Cذ ٥٥٠ سبب تشکيل فازهاي مياني ZnTiO٣ و ZnTiO٤
