بخشی از مقاله
چکیده
لایههاي نازك TiO2 و N-TiO2 به روش سل ژل بر روي زیرلایه شیشهاي توسط روش لایهنشانی چرخشی ساخته شدهاند. در این کار از TiCl4، اتانول و اوره به ترتیب به عنوان پیش ماده، حلال و منبع نیتروژن استفاده شدهاست. نتایج آزمایش XRD حاکی از این است که فاز بلوري غالب هر دو نمونه آناتیس است. اندازه بلوركها براي نمونه خالص و آلاییده به ترتب 16 و 13 نانومتر بهدست آمد. تصاویر بهدست آمده از AFM نشان میدهد که زبري سطوح از مرتبه 100 نانومتر است. به وسیله طیفسنجی UV-VIS ضریب جذب لایهها محاسبه شدهاست و گاف انرژي براي نمونه خالص و آلاییده به ترتب 3/57 و 3/14 الکترون ولت به-دست آمد. براي بررسی خاصیت آبدوستی از زاویهسنجی و فعالیت فوتوکاتالیستی از تجزیه آلودگی متیلنبلو تحت تابش نور ماوراي بنفش استفاده شدهاست که در هر دو آزمایش نمونه آلاییده رفتار بهتري از خود نشان دادهاست.
مقدمه
دياکسید تیتانیوم بهعلت ارزان بودن، سمی نبودن و داشتن مقاومت زیاد در برابر خوردگی و همچنین قدرت اکسیدکنندگی زیاد، کاربردهاي صنعتی فراوانی به ویژه در سطوح و پوششهاي آبدوست و خودتمییزشونده پیدا کرده است. TiO2 گاف انرژي بهنسبت بزرگی دارد که باعث شده است این ماده تنها تحت تابش نور ماوراي بنفش فعال باشد. بیشترهايکاربردهاي آن در محیط بیرون ساختمان و تحت تابش نور خورشید است. ولی چون TiO2فقط تحت تابش نور ماوراي بنفش فعالانرژياست بنابراین بیشتر طیف خورشید که در محدوده مرئی قرار دارد براي آن قابل استفاده نیست 1]و.[2 در سالهاي اخیر سعی بر این بوده که محدوده فعالیت دياکسید تیتانیوم را به سمت نور مرئی افزایشیکیدهند.از روشهاي موثر در کاهش انرژي آستانه دياکسید تیتانیوم ، آلاییدنآن با مواد غیر فلزي است 3]و.[4
در سال 2001 آساهی1 و همکارانش گزارشی براساس کارهاي محاسباتی نظریه تابعی چگالی دادند که توجه زیادي را به آلایش دياکسید تیتانیوم با یونهاي غیرفلزي ازجمله نیتروژن، گوگرد و کربن جلب کرد. در بین آلایش با یونهاي غیرفلزي،آلایش با نیتروژن به نظر موثرتر بود و بیشتر مورد توجه قرارگرفت.[3] با اینکه گزارشهاي فراوانی از نتایج کارهاي آزمایشگاهی در مورد آلایش با نیتروژن به چاپ رسیده ولی متاسفانه نتایج راهگشا نبودند. یکی از علتها، استفاده از روشها و شرایط آزمایشگاهی گوناگون در این گزارشها است که مانع ازمقایسه و نتیجهگیري درست میشود.[4] نیتروژن به دو صورتجایگزینی2 و یا بینجایگاهی3 میتواند در ساختار TiO2 قراربگیرد. در حالت جایگزینی به جاي اتم اکسیژن در ساختار بلوري مینشیند و در حالت بینجایگاهی بین اتمهاي بلور قرار میگیرد.مشخص شده که هردو نوع جایگیري در افزایش محدوده فعالیتTiO2 به سمت نور مرئی موثراند1]و2و.[4
جزئیات تجربی
براي تهیه لایهنازك TiO2 از سلی حاوي اتانول خشک،TiCl4، آبمقطر و براي تهیه لایهنازك N-TiO2 از سلی حاوي اتانول خشک، TiCl4 همراه با آب مقطر و اوره استفاده میکنیم.
ابتدا یک حجم TiCl4 را قطرهقطره به 10 حجم اتانول اضافه کرده و به طور متناوب هم میزنیم. این کار براي جلوگیري از افزیش دما در حمام آب و یخ انجام میگیرد. سپس آب مقطر و یا محلولی از اوره و آب مقطر را به سل تهیه شده به روش فوق اضافه می- کنیم. نسبت مولی اوره به Ti در سل نهایی براي تهیه N-TiO2، 4 به 1 خواهد بود. از سلهاي بهدست آمده، توسط روش لایهنشانی-
چرخشی4 با سرعت 4000 دور بر دقیقه بر روي زیرلایه شیشهاي لایهنشانی کرده و لایهها را در دماي 150، 300 و 450 درجهسانتی- گراد هر بار به مدت یک ساعت بازپخت میکنیم.
براي تعیین فاز و ساختار لایهها، طیف XRD با استفاده از دستگاه پراش اشعهایکس فیلیپس مدل PW 1390، در بازه 2Ө از 10 تا 70 درجه، با استفاده از لامپ Cu-Kα گرفته شدهاست. بررسی زبري سطح توسط دستگاه AFM شرکت NT-MDT، مدل Solver-Pro در مد تماسی انجام گرفتهاست. براي تهیه طیف عبور و بازتاب لایهها از دستگاه طیفسنج UV-Vis شرکت Perkin Elmer مدل Lambda 950 در بازه طول موج 250 تا 850 نانومتر استفاده شدهاست. طیف بازتاب در زاویه 20 درجه گرفته شدهاست. در نهایت به منظور بررسی فعالیت فوتوکاتالیستی نمونه- ها از تجزیه آلودگی متیلنبلو تحت نور UV با شدت mW/cm2 2/5 و سنجش میزان تجزیه ماده توسط دستگاه طیفسنج UV-Vis شرکت BUASH & LOMB مدل 710 و براي بررسی خاصییت آبدوستی از سنجش زاویه تماسی قطرهتحتهاي 7μl نور UV با شدت 8μW/cm2 استفاده شدهاست.
نتایج و بحث
چون لایهها نازك هستند براي تهیه طیف پراش اشعهایکس از پودر خشک شده سلها تحت دماي 150 درجه به مدت یک ساعت و بازپخت شده در دماي 300 و 450 درجه سانتیگراد هر بار به مدت یک ساعت استفادهشد. پودر حاصل از سل بدون اوره به رنگ سفید و سل حاوي اوره همانطور که در مقالات گزارش شده است به رنگ زرد کمرنگ است5]و.[6 با توجه به طیف پراش اشعه ایکس در شکل1، مشاهده میشود که فاز بلوري غالب هر دو نمونه آناتیس است و قله اصلی در زاویه 25/33 درجه قرار دارد که مربوط به دسته صفحات - 101 - فاز آناتیس است. در طیف پراش اشعهایکس نمونه TiO2 - طیف پایینی - قله کوچکی در زاویه27/5 مشاهده میشود که مربوط به دسته صفحات - 011 - فازروتایل است.
بنابراین، نمونه خالص بهمقدارفاز کمی داراي روتایل نیز هست. در هر دو طیف هیچگونه فاز ناخالصی مشاهده نشدهاست. همچنین براي نمونه آلاییده با نیتروژن، اثري از تشکیل فاز نیترید فلزي TiN دیده نمیشود. با استفاده از معادله شرر اندازه بلوركها محاسبه شدهاند.[7] براي TiO2 خالص، اندازه بلورك 16 و براي 13 N-TiO2 نانومتر به دست آمد.براي بررسی زبري سطح، آنالیز AFM به کار گرفته شدهاست.در شکل3 تصویري از سطح نمونه خالصاز و در شکل4 تصویري سطح نمونه آلاییده با نیتروژن مشاهده میشود. در هر دو مورد زبري سطح از مرتبه صد نانومتر است.نمودارهاي بالایی در شکل2 نشانگر طیف عبور و نمودارهاي پایینی طیف بازتاب نمونهها هستند. هر دو نمونه عبور خوبی در محدوده نور مرئی دارند.با محاسبه ضریب جذب نوري لایهها - - α و رسم منحنی - αhν - 1/2 برحسب انرژي فوتون، میتوان گاف انرژي لایهها راحساب کرد.[8] براي نمونه آلاییده گاف انرژبراي برابر 3/14 ونمونه خالص 3/57 الکترون ولت بهدست آمد.
