پاورپوینت کاتالیزورهای نوری

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 1 :

عنوان: کاتالیزورهای نوری

اسلاید 3 :

تاریخچه
اولین کاتالیزور نوری معرفی شده، تیتانیوم دی اکسید (Titanium dioxide, TiO2) است.
در سال 1938 از تیتانیوم دی اکسید به عنوان کاتالیزوری که در حضور نور فعال میشد، در صنعت رنگسازی استفاده شد.
در این گزارشها، واژهی کاتالیزور نوری به کار نرفت و تیتانیوم دی اکسید به عنوان حساس کننده نوری Photosensitizer)) معرفی شد.

اسلاید 4 :

تاریخچه
در سال 1956 ماشیو در گزارشی در مورد خود اکسایش انجام شده توسط TiO2، از آن به عنوان کاتالیزور نوری یاد کرد.
فوجی شیما و هوندا در سال 1972 به کمک آند TiO2 و تحت تأثیر نور فرابنفش، فرآیند آبکافت را انجام دادند.
فرآیند آبکافت: تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن است.
به این ترتیب کاربرد گسترده کاتالیزورهای نوری در واکنشهای اکسایش و کاهش آغاز شد.

اسلاید 5 :

معرفی کاتالیزورهای نوری
سالهاست که در کشورهای صنعتی، کاتالیزورهای نوری به منظور حذف آلایندههایی که به وسیله فرایندهای زیستی حذف نمیشوند، به کار میروند.
کاتالیزورهای نوری به طور عمده اکسیدهای جامد نیمه رسانا هستند که تحت تابش نور، با انرژی کافی فعال میشوند.
کلروفیل در گیاهان مشابه کاتالیزورهای نوری عمل میکند.

اسلاید 6 :

تفاوتهای فتوسنتز و کاتالیزوری نوری
در فرایند فتوسنتز، کلروفیل نور خورشید را جذب کرده و توسط آب و کربن دی اکسید، اکسیژن و گلوکز تولید میکند.
در فرایند کاتالیزوری نوری مواد آلی در حضور نور، آب و کاتالیزور به کربن دی اکسید و آب تبدیل میشوند.
کاتالیزورهای نوری به صورت مواد معلق محلول یا لایههای تثبیت شده روی بستر (Substrate) به کار میروند.

اسلاید 7 :

تفاوتهای فتوسنتز و کاتالیزوری نوری

اسلاید 8 :

سازوکار و عملکرد کاتالیزورهای نوری
سطوح الکترونی در فلزات پیوسته است.
در سطوح الکترونی در نیمه رساناها بین نوار ظرفیت (Valence Band, VB) و نواررسانایی (Conduction Band, CB)، شکاف انرژی (Band-gap energy, Ebg) وجود دارد.

اسلاید 9 :

سازوکار و عملکرد کاتالیزورهای نوری
شکاف انرژی موجود در نیمه رساناها بر خلاف مواد نارسانا کوچک است (ev4).
طی تابش نور به کاتالیزورهای نوری نیمه رسانا فوتونهایی که انرژی مساوی یا بیشتر از انرژی شکاف دارند، جذب شده و سبب برانگیخته شدن الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانایی میشوند.
به طور همزمان یک محل خالی از الکترون (h+) در نوار ظرفیت به نام حفره ایجاد میشود.

اسلاید 10 :

سازوکار و عملکرد کاتالیزورهای نوری
الکترونهای نوری آزاد نوار رسانایی (eCB-) و حفرههای نوری نوار ظرفیت (hVB+) به چند صورت و از طریق چند مسیر عمل میکنند.
مسیرهای مختلف عملکرد یک کاتالیزور نوری در اثر جذب نور:

اسلاید 11 :

سازوکار و عملکرد کاتالیزورهای نوری
تعدادی از الکترونها و حفرههای نوری میتوانند به سطح کاتالیزور نوری برسند.
این امرسبب کاهش یا اکسایش گونههای آلی و غیر آلی جذب شده روی سطح کاتالیزور میشود.
الکترون توسط یک پذیرنده جذب و سبب کاهش آن میشود (مسیر 1).
تحت اتمسفر محیط، اکسیژن به عنوان گیرنده عمل کرده و رادیکال فوق العاده اکسنده هیدروکسیل تولید میشود.

اسلاید 12 :

سازوکار و عملکرد کاتالیزورهای نوری
حفره ضمن مهاجرت به سطح کاتالیزور نوری از گونه دهنده، (Electron Donor) الکترون جذب کرده و آن را اکسید میکند (مسیر 2).
اگر محیط اطراف یعنی آب یا حلال دارای گروه هیدروکسی باشد، حفره آب یا گروه هیدروکسی موجود در سطح کاتالیزور را به رادیکال هیدروکسیل تبدیل میکند.

اسلاید 13 :

سازوکار و عملکرد کاتالیزورهای نوری
بازترکیبی حفره و الکترون با مسیر انتقال بار رقابت میکند.
بازترکیبی حفره و الکترون در سطح نیمه رسانا (مسیر 3) یا در عمق آن (مسیر 4) همراه با آزاد شدن گرما رخ میدهد.
الکترونهای تولید شده به طور مستقیم برای تولید برق در سلولهای خورشیدی به کار میروند.

اسلاید 14 :

انواع کاتالیزورهای نوری: اکسیدهای فلزی
تیتانیوم دی اکسید تنها ماده صنعتی مناسب حال حاضر و حتی آینده، به عنوان کاتالیزور نوری است؛ چرا که :
اکثر فعالیتهای نوری مؤثر را دارد.
پایدارترین و کم هزینهترین کاتالیزور نوری است.
از زمان باستان تاکنون به عنوان رنگدانه سفید استفاده شده و بنابراین تاریخ نیز امنیت آن را برای انسان و محیط تضمین کرده است.

اسلاید 15 :

انواع کاتالیزورهای نوری: اکسیدهای فلزی
تیتانیوم دی اکسید به سه شکل بلوری آناتاز (Anatase)، روتیل (Rutile) و بروکیت (Brucite) یافت میشود.
در میان این سه تنها آناتاز و روتیل فعالیت کاتالیزوری نوری دارند.
آناتاز نسبت به روتیل فعالیت نوری و کاربرد بیشتری دارد.

اسلاید 16 :

انواع کاتالیزورهای نوری: اکسیدهای فلزی
تیتانیوم دی اکسید به صورت پودری، بلوری و لایه نازک تهیه میشود.
این ماده در محدوده نور فرابنفش فعال است و این بخش از نور تنها 4 % از نور خورشیدی را که به زمین میرسد تشکیل میدهد.
لازم است این کاتالیزور نوری کارآمد به نحوی اصلاح شود تا در محدوده نور مرئی نیز فعال باشد.

اسلاید 17 :

بهبود فعالیت کاتالیزوری نوری :TiO2اختلاط (Doping)
برای بهبود فعالیت کاتالیزوری نوری TiO2
اختلاط تیتانیوم دی اکسید با عناصر فلزی مثل طلا، پلاتین و عناصر غیر فلزی از قبیل کربن و نیتروژن سبب افزایش واکنشهای انتقال بار و پایداری حرارتی کاتالیزور نوری میشود.

اسلاید 18 :

بهبود فعالیت کاتالیزوری نوری TiO2اصلاح شیمیایی سطح (Surface Chemical Modification)
اصلاح شیمیایی سطح برای…
کارایی بهتر کاتالیزور نوری
جلوگیری از بازترکیبی بارها (الکترون- حفره)
جدایی هر چه بیشتر الکترون- حفره، ضروری است.
اصلاح سطح به دو روش انجام می شود:
حساس سازی (Sensitization)
جفت شدن (Coupling)دو نیم رسانا

اسلاید 19 :

بهبود فعالیت کاتالیزوری نوری TiO2اصلاح شیمیایی سطح (Surface Chemical Modification)
حساس سازی (Sensitization):
حساس کنندهها (نیم رساناهای غیر آلی، فلزات و رنگهای آلی)، باعث انتقال الکترونهای نوری از حساس کننده به TiO2 میشوند.
بدین ترتیب علاوه بر جدایی بار، نور رسانی نیز در ناحیه مرئی انجام میشود.
نانو لولههای کربنی حساس کنندههایی هستند که الکترونهای نوری برانگیخته را از TiO2 دریافت کرده و بازترکیبی الکترون و حفره را به تأخیر میاندازند.

اسلاید 20 :

بهبود فعالیت کاتالیزوری نوری TiO2 اصلاح شیمیایی سطح (Surface Chemical Modification)
جفت شدن (Coupling) دو نیمه رسانا:
جفت شدن دو نیمه رسانا که نوار ظرفیت و رسانایی آنها سطوح انرژی مختلفی دارند، سبب جدایی مؤثرتر بار میشود.
اگر یکی از نیمه رساناها مورد تابش قرار گیرد، الکترون نوری تولید شده در نیمه رسانای فعال به نوار رسانایی (Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO) کاتالیزور نوری دیگر منتقل میشود.
اگر هر دو کاتالیزور نوری مورد تابش قرار گیرد الکترون و حفره هر دو منتقل میشوند.