دسته بندی علمی – پژوهشی : 
بررسی خواص ساختاری و فتوکاتالیستی نانوذرات تیتانیای دوپ شده با کاتیون های فلزی-  …

دسته بندی علمی – پژوهشی : بررسی خواص ساختاری و فتوکاتالیستی نانوذرات تیتانیای دوپ شده با کاتیون های فلزی- …

شاید بیشترین تلاشی که در جهت انتقال ماکزیمم جذب فتوکاتالیستها بهسمت امواج مرئی صورت گرفته است جایگزینی یونهای اکسیژن TiOبا یونهای غیر فلزی چون نیتروژن، کربن، گوگرد و بور بوده است. از بین این عناصر نیتروژن با بیشترین تعداد مقالات و تحقیقات انجام شده پیشتاز است و تکنیکهای ساختی چون اسپری حرارتی، لایه نشانی (اسپاترینگ)، لایه نشانی با لیزر، سل-ژل و روشهای مکانیکی شیمیایی در تهیه کامپوزیتهای نیتروژن– اکسید تیتانیوم گزارش شدهاند. اکسید تیتانیوم آلاییده شده با نیتروژن
(TiO2-xNx) با تعویض اکسیژنهای داخل ساختار اکسید تیتانیوم با نیتروژن شکل میگیرد. باید اشاره کرد تاکنون دلیل اینکه آیا خاصیت جذب نور مرئی این کامپوزیت، بهدلیل نیتروژنهای جایگزین شده است و یا به دلیل جاهای خالی اکسیژن تشکیل شده در ساختار اکسید تیتانیوم است، هنوز بهطور دقیق مشخص نشده است. تحقیقات نشان میدهد باند ممنوعه اکسید تیتانیوم در اثر افزودن نیتروژن به ۹/۲ الی ۷/۲ الکترون ولت کاهش مییابد [۵۰].
۲-۵-۶ آلاییدن نیمههادی ها با انواع یونهای فلزی
دلیل اضافه کردن یون فلزی به تیتانیا و حتی سایر نیمههادیها را میتوان در سه عامل خلاصه نمود:
۱) کاهش باند ممنوعه. ۲) جدایش بارها و در نتیجه کاهش نرخ بازترکیب الکترون-حفره. ۳) با ارائه مکانهای عیب به عنوان مراکز سطحی فعال، در واکنش شرکت میکنند. عموماً سه دسته مواد فلزی، فلزات قلیایی خاکی، فلزات واسطه، لانتانیدها و فلزهای خاکی نادر، به نیمههادیها اضافه میشوند. هر یک از این گروهها تاثیر متفاوتی دارند. جدول ۲-۳ فهرستی از یونهای فلزی که به اکسید تیتانیم افزوده شده را خلاصه کرده است [۴۳،۳۹]. یونهای فلزی واسطه بهعنوان افزودنی منجر به جذب بیشتر در محدوده مرئی میشود. اضافه کردن برخی یونهای فلزی همچون بیسموت به جدایش موثر بارها و جلوگیری از بازترکیب الکترون-حفره کمک
میکند و باعث افزایش فعالیت فتوکاتالیستی تیتانیا میشود. در عین حال گزارشهایی نیز وجود دارد که از تاثیر منفی برخی یونهای فلزی در فعالیت فتوکاتالیستی مواد حاکی است، این یونها باعث ایجاد عیوبی در ساختار
میشوند که به عنوان عامل بازترکیب الکترون- حفره عمل میکنند. کاهش بارهای شرکتکننده در واکنش اکسایش- کاهش، باعث کاهش رادیکالهای فعال و در نتیجه کاهش فعالیت فتوکاتالیستی میگردد. بدین ترتیب نوع و غلظت افزودنی، روش افزودن یونها و نیز عملیات حرارتی در کیفیت و تاثیر یون نقش مهمی ایفا میکند [۵۱]. دوپ کردن اکسید تیتانیوم با فلزات واسطه و نجیب از کاربرد و توجه بیشتری برخوردار بوده است. فلزات نجیب مثل Cu، Ni، Rh، Pd، Au، Pt و Ag برای افزایش فعالیت فتوکاتالیستی بسیار موثر هستند [۵۶-۵۲]. سطح فرمی فلزات نجیب پایینتر از سطح فرمی تیتانیا میباشد، الکترونهای تهییج شده در اثر تابش فوتونها، میتوانند از باند هدایت TiO2 به باند هدایت ذرات فلزی رسوب داده شده در سطح TiOانتقال داده شوند، در حالیکه حفرههای تولید شده در باند ظرفیت TiOباقی میمانند. این فرآیند احتمال ترکیب مجدد جفت الکترون- حفره را کاهش داده و منجر به افزایش واکنشهای فتوکاتالیستی میگردد [۵۷].
دوپ کردن یون فلزات قلیایی انتقالی و یون فلزات کمیاب خاکی نیز جهت افزایش خواص فتوکاتالیستی مورد بررسی قرار داده شدهاند [۶۰-۵۸]. مشخص شده است دوپ کردن توسط فلزات نجیب با غلظت کمتر از ۲ درصد مولی خواص الکترونی ، ساختاری و گرمایی اکسید تیتانیوم را تحت تاثیر قرار میدهد [۶۰]. همانطور که ذکر شد، آزمایشات قبلی محققان نشان میدهد دوپ کردن تیتانیوم با لانتانیدها باعث افزایش خواص فوتوکاتالیستی اکسید تیتانیوم میگردد. در این بین شدت تاثیر عناصر لانتانیدها بهترتیب Pr >Er >Ce >Sm >Gd>Nd >La و عناصر نجیب به قرار Pt >Fe >Ni >Au >Pd >Cr >Ag میباشد. متغیرها و محدودیتهای زیادی در جهت ایجاد لیستی دقیق و صحیح شامل عناصر تاثیرگذار بر خاصیت فتوکاتالیستی اکسید تیتانیوم وجود دارند که از آن جمله میتوان به دستورالعمل آماده سازی فتوکاتالیست، اندازه دانه و مادهای که جهت آزمایشات فتوکاتالیستی استفاده میگردد نام برد [۶۲،۶۱]. با افزایش غلظت فلزات از یک حدی به بعد بازده فوتوکاتالیستی کاهش مییابد زیرا فلزات در این حالت بهعنوان مکانهایی برای ترکیب الکترون و حفره عمل میکنند. غلظت بحرانی در فلزات اکثرا بین ۸/۰ الی ۲/۱ درصد مولی گزارش شده است این در حالی است که در بعضی از آنها در هر غلظتی که مورد استفاده قرار گیرند باعث کاهش بازده فتوکاتالیست میگردند. بهعنوان مثال در صنایع رنگدانهای از Al3+ برای کاهش خاصیت فتوکاتالیستی TiOاستفاده میگردد. باید اشاره کرد بعضی از محققان بر پایه آزمایشات اسپکتروسکوپی (مرئی-فرابنفش) کاهش باند ممنوعه اکسید تیتانیوم را در اثر دوپ کردن آن با یونهای فلزات گزارش کردهاند. این نظریه در حال بحث و تبادل نظر قرار دارد زیرا یونهای فلزات در روشهایی چون هم رسوبی، سل-ژل، مایسل معکوس معمولا خواص سطحی ذرات TiOرا مورد تاثیر قرار میدهند و قادر به تغییر خواص حجمی و ذاتی آن نمیباشند. از طرف دیگر فرآیند فتوکاتالیست در سطح ذرات رخ میدهد و خواص سطحی نیز همانند خواص حجمی مورد اهمیت میباشند. از آنجایی که یونهای فلزی با نانو ذرات TiOبا اندازه قطر ۱۰ و ۲۰ نانومتر دوپ میشوند نظریههایی وجود دارد که یونهای Ti4+ با یونهای کوچکتری جایگزین شده و با همپوشانی اوربیتالها باند ممنوعه اکسید تیتانیوم کوچکتر میگردد [۶۲،۶۱].
جدول۲-۳: یونهای فلزی افزوده شده به اکسید تیتانیوم و اثر آنها [۵۱].

این مطلب را هم بخوانید :  بررسی خواص ساختاری و فتوکاتالیستی نانوذرات تیتانیای دوپ شده با کاتیون های فلزی- قسمت ۴۱

برای دانلود متن کامل این پایان نامه به سایت  fumi.ir  مراجعه نمایید.

یون فلزی اثر و کاربرد
لیتیم ایجاد تراز در گاف ممنوعه انرژی، حسگر رطوبت و اکسیژن، ذخیره اکسیژن
سدیم تغییر در ساختار الکتریکی، سازوکار جذب
پتاسیم ساختار الکتریکی و تابع کار، تولید رادیکالهای فعال
سزیم تغییر موقعیت اکسیژن جذب سطح شده
کلسیم اندرکنش با تیتانیا
آلومینیم تغییر استوکیومتری