بخشی از مقاله
سنتز و شناسایی سونوشیمی نانو کامپوزیت تیتانات روي به روش سل – ژل
چکیده
پودر نانو کامپوزیت تیتانات روي (TiO2/ZnO) از طریق فرایند سل ژل تهیه شده و پس از آن تحت تابش اولتراسونیک قرار گرفته است. در این روش، دو سل جداگانه که حاوي روي و تیتانیوم است آماده و با هم مخلوط شده است.ماده اصلی سل روي از محلول آبی استات روي آماده شده و ماده اصلی سل تیتانیوم از نمک تیتانیوم تترا ایزوپروپوکساید (TTIP) که با آب مقطر (DI)1 مخلوط شده بدست آمده است . دو سل به دست آمده مخلوط شده اند و سپس تحت تابش فراصوت قرار گرفته است. مخلوط آماده شده رسوب گیري می شود و رسوب بدست آمده در آون به مدت 1ساعت در200 درجه سانتیگراد خشک شده و در دماي800 درجه سانتی گراد تجزیه حرارتی می شود از روشهاي آنالیزي پراش اشعه ایکس (XRD)2 و طیف سنجی تبدیل فوریه مادون قرمز ٣(FT-IR) و میکروسکوپ الکترونی رو بشی ٤(SEM) استفاده شده.
واژههاي کلیدي: تابش اولتراسونیک - نانو کامپوزیت تیتانات روي- سل/ ژل - دي اکسید تیتانیوم- اکسیدروي
-1 مقدمه
در سال هاى اخیر استفاده از نیمه رساناها به عنوان فتوکاتالیست براى تخریب آلودگی هاى آلی خیلی زیاد شده است .به علت ویژگی هاى نورى و الکتریکی، قیمت پایین، فعالیت فتوکاتالیستی بالا، ثبات شیمیایی، غیر سمی بودن، فراوانی و در دسترس بودن و عدم فرسایش و خوردگی در مقابل نور از تیتانیا به عنوان فتوکاتالیست رایج استفاده می شود.زمانی که کاتالیست تیتانیم دي اکساید تحت تابش فوتونی با انرژى مساوى و یا بالاتر از گاف انرژى 3.2 eV قرار گیرد حفره الکترونی که محرك گروه هاى واکنشی اکسیژنی از قبیل رادیکال هیدروکسیل و رادیکال سوپر اکسید است، تولید می شود .این رادیکال هامستقیماً درگیر فرآیند اکسید کردن به منظور تجزیه آلودگی ها وباکترى ها هستند بعضی از ویژگی هاى ذرات که در فعالیت فتوکاتالیستی موثر هستند، عبارتند از ابعاد ذرات، ساختمان کریستال، سطح هیدروکسیل شونده، بلورینگی مطلق، شدت تابش نورى، جذب سطحی آلودگی, pH محلول و روش آماد ه سازى
.در زمینه فتوکاتالیستی، اغلب کاربرد ها مربوط به پاکسازى هوا و آب یا ویژگی خود تمیز شوندگی مواد مختلف می شوند .[2,1] هنگامی که با یک منبع نور مناسب روشن شده، فرایند فتو کاتالیستی تیتانیم دي اکساید به ایجاد جفت حفره الکترونی براي شروع یک سري از واکنش هاي شیمیایی که در نهایت آلاینده را از بین میبرد .[3] علاوه بر برنامه هاي کاربردي گسترده اي در سال هاي اخیر به عنوان دستگاه هاي الکترونیکی با توجه به آن خواص الکتریکی بسیار جذاب، اکسید روي نیز یک نیمه هادي مهمی براي تجزیه فوتوکاتالیستی آلاینده هاي زیست محیطی است و دلیل آن مکانیزم نوري است ثابت کرده است که شبیه به تیتانیم دي اکساید است. [ 4-6 ]
از آنجا که روند فوتوکاتالیست مبتنی بر ایجاد جفت الکترون / حفره با استفاده از باند فاصله تابش، جفت از اکسیدهاي نیمه هادي هاي مختلف به نظر می رسد مفید براي رسیدن به یک اتصال کارآمد تر الکترون / حفره جداسازي ، تحت تابش و در نتیجه، فعالیت فوتوکاتالیستی بالاتر [ 8,7] به منظور ارتقاء بهره وري نوري کاتالیزور تیتانیم دي اکساید ، همراه فتو کاتالیستی نیمه هادي تیتانات روي بررسی شده توسط تعدادي از محققان[10,9 ] برخی از موفقیت در افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی با روش هاي مختلف از جمله با استفاده از نانو کریستال نیمه هادي به جاي مواد فله انجام شده است ,[11] اصلاح فوتوکاتالیستهاي با دوپ شدن با یون, [12-15] یا اتصال تیتانیم دي اکساید به اکسیدهاي دیگر , [17,16] به عنوان مثال اکسید روي با ویژگی هاي هزینه کم و غیر سمی بودن [18,19] خاصیت فتو کاتالیستی نیمه هادي تیتانات روي مورد بررسی قرار گرفته است و به منظور افزایش بهره وري نوري از تیتانیم دي اکساید به عنوان کاتالیزور آزمایشات زیادي توسط تعدادي از محققان و اثر آن براي بهبود بهره وري فوتوکاتالیستی گزارش شده است . [21,20]
-2 بخش تجربی
-1-2 آماده سازي سل روي
استات روي به عنوان پیش ماده براي آماده سازي سل اکسید روي مورد استفاده قرار گرفته است. در ابتدا3.2 گرم استات روي در100 میلی لیتر آب بدون یون حل می شود سپس محیط واکنش را بوسیله ي آمونیاك قلیایی کرده و PH محلول را به 9 می رسانیم و به آن20 میلی لیتر اتانول اضافه میکنیم و مدت 2 ساعت به صورت مداوم هم زده می شود.
-2-2 آماده سازي سل تیتانیوم
ترکیبی از 5 میلی لیتر تیتانیوم تترا ایزو پروپوکساید با 45 میلی لیتر الکل ایزوپروپیل و 450 میلی لیتر آب بدون یون تهیه کرده ایم و بوسیله اسید نیتریک محیط را اسیدي میکنیم و PH محلول را به 1.5 می رسانیم و مدت 24 ساعت به صورت مداوم هم زده می شود.
-3-2 آماده سازي نانو کامپوزیت تیتانات روي
سل هاي روي و تیتانیوم آماده شده با هم مخلوط شده و نانو کامپوزیت تیتانات روي حاصل می شود به مدت 2 ساعت تحت تابش امواج فراصوت قرار میدهیم . پس از فیلتر کردن، رسوب را در 100 درجه سانتی گراد درآون حرارت داده سپس پودر خشک بدست آمده را به مدت 9 ساعت در دماي800 درجه سانتی گراد در کوره قرار داده و تجزیه حرارتی می شود
-3 نتایج و داده ها
-1-3طیف سنجی تبدیل فوریه - مادون قرمز
طیف سنجی انتقال فوریه مادون قرمز به ارتعاش پیوندهاي شیمیایی در مولکول در فرکانسهاي مختلف که به عناصر و نوع پیوند بستگی دارد بر میگردد. پس از جذب تابش الکترومغناطیس ، فرکانس ارتعاش از یک باند افزایش یافته و به انتقال بین سطح پایه و چند سطح تحریک شده منجر میشود.
طیف FT-IR نانوکامپوزیت تیتانات روي درمحدوده 400 cm-1 تا 4000 درشکل 1 نشان داده شده است. پیک هاي مشاهده شده در 470 cm-1 و 572 مربوط به ارتعاش کششی متقارن از ارتعاش پیوند Ti -O- Ti وپیوند خمشی باند O -TI -O می باشد . پیک در 682 cm-1 به پیوند ارتعاشی Zn - O- Ti نسبت داده شده است . پیک ها در 425 cm-1 و 1399 به حالت ارتعاشی پیوند Ti-Oنسبت داده شده و همه پیک ها در 1161 cm-1و1039 مطعلق به پیوند Ti-OH است پیک بعدي در 1632 cm-1 حاصل از ارتعاش خمشی جذب مولکول H2O، که به طور کامل بعد از فرآیند سل – ژل خارج نشده و از بین نرفته است و پیک 3429 cm-1 اختصاص داده شده است به کشش متقارن و نا متقارن OH گروه هیدروکسیل.
شکل -1 طیف FT-IR نانوکامپوزیت تیتانات روي
-2-3 مورفولوژي ذرات با تجزیه و تحلیل تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM)
تصاویر SEM از نانوکامپوزیت تیتانات روي در شکل 2 نشان داده شده است. اندازه ذرات به طور متوسط در حدود 40 نانومتر است (شکل-2ب) . مورفولوژي نانوکامپوزیت سنتز شده به صورت مرجانی دیده می شود (شکل-2 الف) . ذرات نانو کامپوزیت کروي شکل و داراي سطحی یکنواخت هستند (شکل-2 ج).
( الف) ( ب)
(ج)
شکل-2 تصاویر SEM از نانوکامپوزیت تیتانات روي
-3-3 تعیین ساختار نانو ذره با تجزیه و تحلیل طیف پراش اشعه ایکس (XRD)
از پراش اشعه ایکس جهت تعین ساختار بلور، اندازه ذرات ، فازهاي مختلف موجود در نمونه استفاده میشود . الگوي پراش اشعه ایکس توسط اندازهگیري زوایایی که در آنها پرتوي اشعه ایکس به وسیله فازهاي کریستال نمونه پراش یافته، حاصل میشود.
الگو XRD که از کلسینه شدن پودر نانوکامپوزیت تیتانات روي در 800 درجه سانتی گراد بدست آمده درشکل3 نشان داده شده است و از مقایسه ي آن با الگوي مرجع این مقایسه نشان داده که الگوي XRD نانو کامپوزیت تیتانات روي سنتز شده تطابق خوبی با الگوي استاندارد دارد.
در طیف XRD ، محور عمودي شدت پیک را نشان میدهد و محور افقی 2 را نشان میدهد. 2 در نواحی 29 ،36 ، 39 ، 54 ، 60 دیده میشود و بلندترین پیک در ناحیه 54.5 می باشد که مربوط به ساختار کریستالی آناتاز دي اکسید تیتانیم است و 2 دیده شده در نواحی 77,73,63,47,35,32 که مربوط به تشکیل ساختار ورتزیت اکسید روي است. طبق معادله براگ((2 فاز ( Body Centre Cubic )BCC براي دي اکسید تیتانیم و فاز (Simple Cubic )SC براي اکسید روي بدست آمده است و با توجه به طیف مربوطه , با استفاده از معادله شرر ,(1)اندازه نانو کامپوزیت ما30 نانومتر بدست امده است
