نانوفوتوكاتاليست

درحال مشاهده: نانوفوتوكاتاليست

ادعونی اهدای خون

نانوفوتوكاتاليست

۱۳۹۱/۰۹/۰۱

18:46

امیرحسین ستوده بیدختی

نانوفوتوكاتاليست

فتوکاتالیست ها موادی هستند که باعث نابودی آلاینده ها در آب و فاضلاب و تبدیل آنها به مواد بی خطر نظیر آب و دی اکیسد کربن می شوند. در حقیقت این مواد در اثر تابش نور منجر به بروز يك واكنش شيميايي شوند، در حالي كه خود ماده، دست خوش هيچ تغييري نمی شود. فتوكاتاليست‌ها مستقيماً در واكنش‌هاي اكسايش و كاهش دخالت ندارند و فقط شرايط موردنياز براي انجام واكنش‌ها را فراهم مي‌كنندتعدادی از مواد که به عنوان فتوکاتالیست به کار میروند عبارتند از:

دی اکسیدتیتانیم(TIO₂ )،اکسیدروی(ZnO)،اکسید آهن(Fe₂O₃)،اکسیدتنگستن(W)

فوتوكاتاليست Tio₂

در سال1972 هنگاميكه پروفسور فوجي شيما و دانشجويش هوندا مشغول انجام آزمايش بودند به پديده عجيبي برخوردند. آنها مشاهده كردند كه به هنگام قرار دادن الكترودهايي از جنس TiO₂ و Pt در آب، مداري تشكيل مي شود كه بدون اعمال جريان الكتريسيته از بيرون، و تنها در معرض نور مي تواند آب را به اكسيژن و نيتروژن تجزيه كند. به دنبال اين پديده هوندا كشف كرد كه TiO₂ خاصيت اكسيدكنندگي قوي دارد. بنابراين مطالعات خود را بر روي اثر اين ماده ارزشمند در پديده هاي زيست محيطي مانند استريليزه كردن، گندزدايي و حذف آلودگي ها معطوف كرد. محصولات جديد اين فناوري داراي اثرت ضد باكتريايي است و بنابراين يكي از پيشرفته ترين ابزار براي ضد عفوني كردن فضاها و يكي از شاخه هاي اصلي مورد مطالعه در صنعت مواد است.

خاصيت فوتوكاتاليستي Tio₂

امروزه فتوكاتاليست هاي نانومتري از ذرات TiO₂ با اندازه دانه 20نانومتر ساخته مي شود. پس از جذب UV اشعه خورشيدي توسط اين ذرات، الكترونهاي آنها توسط انرژي UV به تحرك در آمده و از مدار خود خارج مي شوند، كه نتيجه آن بر جاي گذاشتن حفراتي است كه قابليت اكسيدكنندگي بسيار بالايي دارند. در عين حال الكترون ها كه خاصيت احيايي قوي دارند، پس از تماس با H₂O و O₂ هوا واكنش راديكالهاي آزاد اكسيژني و هيدروكسيدي ايجاد مي كنند. اين راديكالهاي آزاد خاصيت اكسيدكنندگي بالايي داشته و قادر خواهند بود كه مواد آلاينده، دود و باكتريهاي مضر را به مواد بي ضرري مانند H₂O و Co₂ تجزيه كنند.

محققان از اكسيداسيون فتوكاتاليستي براي شكستن و از بين بردن بسياري از آلاينده هاي ارگانيك (آلي) و تبديل آنها به Co₂ و آب استفاده مي كنند. اين روش براي تصفيه آب آشاميدني، از بين بردن باكتريها و ويروسها و جدا كردن فلزات از جريان فاضلابها بكار مي رود.
در مورد تصفيه آب، تحقيقات نشان داد كه هيدروكربنهاي آليفاتيك كلردار با استفاده از اين روش كلرزدايي شده و به Co₂ و H₂Oشكسته مي شوند. علاوه براين بسياري از آروماتيك ها كه در برابر واكنشهاي اكسيداسيوني معمولي مقاوم هستند به راحتي از بين مي روند.

استفاده از نانو تكنولوژي در بهبود خاصيت فتوكاتاليستي TiO₂

نانو تكنولوژي تنها به ذرات بسيار كوچك مربوط نيست، بلكه يك دانش انقلابي و هنر دستكاري ماده در مقياس اتمي يا مولكولي است. محققان در حوزه هاي مرتبط با نانو مواد، نيازمند روشهاي پيشرفته ساخت مواد هستند كه از اشتراك فرايندهاي بالا به پايين و پايين به بالا حاصل مي آيد.

زماني كه ماده به اندازه 1-100نانو متر كوچك شود، بسياري از خواص آن تغيير كرده و خواص منحصر به فردي كه از هر دو حالت ماكرو و تك اتم متفاوت است، پيدا مي كند. دليل اين امر، اثرات كوانتومي، محدوديت منطقه اي ماده، و تأثيرات فصل مشترك است. هدف نهايي تكنولوژي نانو توليد محصولاتي با كاربري ويژه و خواص فيزيكي و شيميايي جديد است. به عنوان مثال دست يابي به استحكامي10 برابر بيشتر از آهن، بسيار آسان خواهد شد، تمامي اطلاعات يك كتابخانه در يك تراشه (chip) به اندازه حبه قند قابل جمع آوري، و تومور هايي به اندازه چندين سلول قابل شناسايي خواهد بود.

مشخصات فتوكاتاليستي تيتانيم دی اكسايد نيز به كمك نانو تكنولوژي پيشرفت چشمگيري كرده است. در مقياس نانو، نه تنها مساحت سطح ذرات تيتانيم دی اكسايد افزايش قابل ملاحظه اي مي يابد، بلكه اثرات ديگري برروي خواص نوري و الكترومغناطيسي خواهد داشت. آزمايشات نشان مي دهد با كاهش سايز ذره TiO₂ و افزايش پتانسيل اكسيداسيون- احيا، سرعت واكنش فتوكاتاليستي افزايش چشمگيري خواهد داشت. حتي در برخي شرايط انرژي ساطع شده از هر منبع نوري در محيط مي تواند به جاي تابش اشعه ماوراء بنفش (UV) منبع انرژي مؤثري براي فتوكاتاليست باشد. بنابراين انتظار مي رود در آينده اي نزديك بتوان با استفاده از تكنولوژي نانو، موادي با خواص عالي و منحصر به فرد تهيه و كارهاي غيرممكن را ممكن كرد. [20]

روش هاي سنتز

روش سل ژل

هدف روش سل‌ژل انجام فرايندهاي شيميايي در دماي پايين براي توليد اشياء، فيلم‌ها، فيبرها، ذرات يا كامپوزيت‌هايي با شكل و سطح مناسب است كه مي‌توانند بعد از يك مرحله فرايند تكميلي به صورت تجاري مصرف شوند. فرايندهاي سنتي سراميك‌ها منجر به ساخت موادي مي‌شود كه ساختار ميكرو در محدوده 1 تا 100 ميكرومتر دارند. بوسيله فرايند سل ژل مي‌توان ساختار ميكرو محصولات را در محدوده 1 تا 100 نانومتر كه ساختاري در مرتبه مولكولي است به دست مي‌آورد. اين مواد اغلب ویژگی ای فيزيكي و شيميايي يكنواختي دارند. اگر چه مبداء فرايندهاي سراميك بر پايه علم شيمي به تاريخ 4000 سال قبل از ميلاد مربوط مي‌شود ولي مفهوم كنترل شكل و ساختار مولكولي سراميك‌ها و شيشه‌ها به وسيله استفاده از شيمي سل ژل احتمالاً به مطالعات برگمن بر روي شيشه‌هاي آبي در سال 1779، مطالعات ابلمن، گراهام روي ژل سيليكا در سال 1847 و 1864 مربوط مي‌شود. البته قسمت عمده‌اي از كار در علم كلوئيدها، در اواسط دهه 1800 انجام گرفت.

سل‌ها ذرات كلوئيدي پراكنده در محلول به ابعاد 1-100nm هستند كه به علت كوچكي بيش از حد بوسيله حركت براوني در محلول به حالت معلق باقي مي‌مانند و ژل نيز عبارتست از يك شبكه جامد و به هم پيوسته‌اي با منافذي به ابعاد زير ميكرومتر و زنجيرهاي پليمري كه طول متوسط آنها بزرگتر از يك ميكرومتر است. در حقيقت فرايند سل-ژل سنتز شبكه معدني توسط واكنش‌هاي شيميائي در محلول و در دماي پائين است كه به دليل تشكيل شبكه بي‌شكل (در مراحل اوليه) در مقابل فرايند كريستاله شدن در محلول قرار دارد. در اينجا لازم است كه درباره بعضي از اصطلاحات كليدي و رايج در فرايند توضيح داده شود.

انواع فرايند سل ژل

مسير الكوكسيدي

مهمترين و متداولترين روش فرايند سل-ژل در تهيه مواد معدني اعم از شيشه‌ها، پايه‌هاي كاتاليست و سراميكهاي پيشرفته مسير الكوكسيدي مي‌باشد. اين روش براساس شيمي الكوكسيدها بنا نهاده شده است.
در اينجا سل از پيشماده الكوكسيد حل شده در آب كه به عنوان يك حلال بكار برده مي‌شود تشكيل شده است. در نتيجه هيدروليز و تراكم اين پيشماده، سل به ژل تبديل شده كه طي خشك‌كردن تحت شرايط خاصي شبكه معدني از آن تشكيل مي‌شود. معادلات واكنش‌هاي اساسي كه تبديل پيش‌ماده الكوكسيد را به ژل و نهايتاً به شبكه معدني ممكن مي‌سازند را نشان مي‌دهد.
در واكنش هيدروليز پيش‌ماده الكوكسيد به گونه‌هاي معدني كه در الكل محلولند تبديل مي‌شوند.

در تراكم گونه‌هاي فعال شده باهم واكنش مي‌دهند و شبكه پليمري معدني شامل پيوندهاي M-O-M (با يك نوع الكوكسيد) يا M- O - M´ (با چند نوع الكوكسيد) در محلول شروع به تشكيل مي‌كند:

كه در اين واكنش M مي‌تواند Si ، Al ، Ti ، Zn ، Sn ، Pb ، Ta و Cu و Ni و Co و غيره باشد. و R يك گروه آلكيل مانند متيل، اتيل، ايزوپروپيل، بوتيل و … مي‌باشد.

مسير كلوئيدي

در اين مسير از اصول شيمي كلوئيدها براي توليد ذرات كلوئيدي از گونه‌هاي يوني و غيريوني در يك محيط آبي استفاده مي‌شود. در اين روش سل از ذرات كلوئيدي كه در يك مايع (معمولاً آب) پراكنده شده‌اند تشكيل يافته است. وقتي ويسكوزيته اين سل، با ازدست دادن جزئي از مايع افزايش يابد به يك ژل سخت تبديل مي‌شود. بنابراين دراين روش شبكه معدني از آرايش ذرات مجزا و ژل شدن محلول اين ذرات به وجود مي‌آيد.

از دو مسير ذكر شده در فرايند سل-ژل امروزه مسير الكوكسيد بيشتر مورد توجه قرار گرفته است. و اكثر كارهاي انجام شده در اين زمينه با استفاده از الكوكسيدها به عنوان پيش ماده بوده است. زيرا الكوكسيد منبع مناسبي براي مونومرهاي معدني هستد و همچنين در مسير الكوكسيد، به وسيله روش هاي شيميائي مثلاً با كنترل سرعت واكنش هيدروليز و تراكم مي‌توان سرعت واكنش هاي كلي را كنترل كرد. بنابراين شيمي فرايند سل-ژل براساس الكوكسيد آسانتر از پديده‌هاي شيمي كلوئيدي مثل بارهاي سطحي يا گونه‌هاي جذب شده روي سطح ذرات قابل كنترل است. علاوه برآن مسير الكوكسيد امكان تهيه محصول ای با درجه خلوص و همگني بالا در دماي پائين‌تر را ميسر مي‌سازد.

مراحل فرايند سل-ژل

فرايند سل ژل براي تهيه مواد گوناگون از پيش ماده‌هاي الكوكسيد به چند مرحله متوالي تقسيم مي‌شود. هر مرحله به عنوان پلي بين مرحله قبل و بعد خود عمل مي‌كند. اين مراحل به قرار زير است:

1- مخلوط كردن پيش ماده‌ها (mixing)
2- شكل‌دهي (forming)
3-ژل‌شدن (gelation)
4-كهنه شدن (aging)
5-خشك كردن (drying)
6- آب‌زدائي يا تثبيت شيميائي (dehydration or chemical stablization )
7- متراكم كردن (densification and sintering )

روش هيدروترمال

هیدروترمال اساسا ریشه ژئوفیزیکی دارد. این عبارت برای اولین بار توسط زمین‌شناس انگلیسی به نام مورچیسن (۱۷۹۲-۱۸۷۱ میلادی) برای شرح عملکرد آب در فشار و دمای بالا در اعمال تغییرات روی پوسته زمین و تشکیل صخره‌ها و به کار رفته‌است.‎ با وجود تمامی پیشرفتهایی که در اثر گسترش این شاخه از علم سنتز بوجود آمده‌است، هنوز تعریف مشخص و استانداردی برای این فرآیند وجود ندارد. کلمه هیدروترمال عمدتا به هر نوع واکنش ناهمگن در حضور حلال آبی در دماهایی بالاتر از دمای بحرانی و در نتیجه در فشارهای بالا اطلاق می‌شود. به عبارت دیگر هیدروترمال به واکنش‌های حلال آبی که در دماهایی بالاتر از ۱۰۰°C و فشارهایی بالاتر از ۱ اتمسفر اطلاق می‌شود. به صورت عمومی واژه هیدرو ترمال از دو بخش هیدرو و ترمال تشکیل شده‌است که پیشوند هیدرو نوع محلول را نشان می‌دهد. بر اساس آنچه که در بالا اشاره شد، بطور کلی در علم شیمیبه سنتز در هر محلول غیر آبی که بتواند در دماهای فوق بحرانی و در نتیجه در فشارهای بالا برای سنتز به کاررود به اصطلاح سالووترمال می‌گویند.

متغيرهاي فرآيند هيدروترمال

نوع آب

این مورد شامل آب مقطر، آب دیونیزه و بررسی سختی آب در مقیاس صنعتی است

زمان

تغییرات زمان بر میزان رشد و در نتیجه اندازه نهایی ذرات تاثیر می‌گذارد.

سورفکتانت

دما

دمای بالا باعث تغییر در سرعت جوانه زنی و حتی سرعت رشد ماده می‌شود.

پ هاش محلول

بر اساس نوع اسیدی یا بازی بودن عمدتا بر روی روند آزمایش اثر می‌گذارد .

روش هاي آزمايشگاهي

برای سنتز به روش هیدروترمال در مقیاس آزمایشگاهی عمدتا از اتوکلاو استفاده می‌شود که بسته به نوع فرآیند انواع مختلفی دارد. در این نوع فرآیند واکنش دهنده‌ها در داخل حلال در دو ظرف جداگانه با غلظت خاصی که وابسته به ضرایب استوکیومتری واکنش مد نظر است، کاملا حل می‌شوند. برای این کار معمولاً از همزن‌های مغناطیسی، اجیتیتورها و یا از سونیکیتورها استفاده می‌شود. بهترین نوع همگنی مربوط به سونیکیتورهاست که اختلاط محلول را توسط امواج ماورای صوت انجام می‌دهند. پس از تهیه پیش ماده‌ها آنها در یک بشر جداگانه ریخته و سپس بعد از یک سونیکیشن اولیه و با زمانی نسبتا کم، در داخل محفظه اتوکلاو قرار می‌گیرند. پس از استفاده از اتوکلاو در فشار و دمای معین، نمونه حاصل از داخل محفظه اتوکلاو خارج شده و خشک می‌شود. در برخی از موارد به ویژه در مورد سنتز نیمه‌هادی‌ها، کاتالیست‌ها و امیتورها کلسیناسیون و خشک کردن را در اتمسفر کنترل شده شامل گازهای خنثی، اکسیژن و نیتروژن انجام می‌دهند

روش هم رسوبي

يكي از ساده ترين روشهاي ساخت نانوذرات ، همرسوبي مواد كم محلول از محلول آبي
آنها است ، كه در ادامه به روش تخريب حرارتي محصولات آن اكسيد ميشود. واكنش
هم رسوبي شامل مراحل هسته زايي، رشد، انعقاد و يا فرايند لخته سازي است . به دليل مشكلات مطالعه و جداسازي هر فرايند از ديگر مراحل سازوكار دقيق روش همرسوبي به خوبي شناخته شده نيست البته احياء واكنش دهنده هاي معدني هميشه رسوب ايجاد نمي كند.
توسط سديم سيترات كاهش مي يابد و محلول (II) براي مثال هيدروژن تترا كلرو اورات
كلوئيدي قرمز رنگي ايجاد مي كند.

مزيت اصلي روش رسوبگيري كيفيت بسيار بالاي نانو مو اد توليد شده است . اگرچه توليد نانو مواد با اندازه ي موردنظر مي تواند مشكل باشد امامي توان از فاكتورهاي سينيتيكي موجود براي رشد ذرات استفاده كرد . در این روش عوامل كمپلكس دهنده و سورفكتانتها مي تواند در كنترل اندازه ي ذرات مؤثر است.

ويژگي هاي واكنش هاي هم رسوبي

1- محصولات اين واكنشها معمولاً در شرايط فوق اشباع بسيار كم محلولاند.

2-در چنين شرايطي هسته زايي كه مرحله ي كليدي است انجام ميشود و تعداد زيادي از ذرات كوچك تشكيل ميشود.

3-فرايندهاي ثانويه نظير فرايند استوالد 1 و لخته شدن كه بر روي ا ندازه، ریخت شناسی وویژگی ای محصولات مؤثر نياز است.

4-شرايط فوق اشباعي كه براي رسوب محصول ای كه معمولاً در طي يك واكنش شيميايي انجام مي شود، اندازه ي ذرات، شكل هندسي و توزيع اندازه ي ذرات مؤثر است.