بررسي اثر دوپنت‌هاي فلوئور، منگنز و نيتروژن بر پوشش‌هاي فوتوكاتاليستي تيتانيا

كارشناسي ارشد

پوشش¬هاي نانوساختار تيتانيا تحت تابش نور فرابنفش فعاليت فوتوكاتاليستي بالايي دارند اما با گسترش آستانه جذب اين پوشش¬ها از منطقه فرابنفش به مرئي مي توان كارايي فوتوكاتاليستي آن¬ها را به ميزان قابل توجهي بهبود بخشيد. به همين منظور، پوشش¬هاي تيتانيا دوپ شده با عناصر فلزي يا غير فلزي با خاصيت فوتوكاتاليستي بالا تحت تابش نور فرابنفش و مرئي تهيه شدند. در اين پژوهش، سل تيتانياي خالص و سل¬هاي حاوي مقادير مختلف عناصر نيتروژن، منگنز و فلوئور به عنوان دوپنت به ترتيب با استفاده از پيش ماده¬هاي اوره(CH4N2O)، منگنز نيترات (MnN2O6 * 4 H2O) و آمونيوم فلورايد(NH4F) به روش سل ژل تهيه و پس از تعيين ضخامت بهينه بر روي زيرلايه-هاي شيشه(سودالايم) با روش غوطه وري اعمال شدند. نمونه¬هاي پوشش داده شده در دماي 100 درجه سانتيگراد خشك و در دماي 500 درجه سانتيگراد كلسينه شدند. به منظور شناسايي تركيب فازي پوشش¬ها از نمونه¬ها آناليز اشعه ايكس و آناليز اشعه ايكس با زاويه كم(Grazing Incidence XRD) گرفته شد. همچنين براي بررسي خواص نوري از آزمون DRS و به منظور مطالعه ضخامت و ريزساختار پوشش¬ها از ميكروسكوپ الكتروني روبشي-گسيل ميداني(FE-SEM) استفاده شد. جهت بررسي خواص فوتوكاتاليستي پوشش¬ها، توانايي آن ها در تجزيه محلول متيلن بلو و رودامين B تحت تابش نور فرابنفش و مرئي اندازه گيري شد. نتايج آزمون¬ها نشان داد كه پوشش¬هاي نانوساختار تيتانيا به ضخامت حدود 308 نانومتر بر روي زيرلايه شيشه تشكيل شدند. افزودن دوپنت نيتروژن موجب كاهش انرژي نوار ممنوعه تيتانيا و انتقال لبه جذب به سمت محدوده مرئي شد كه اين عامل، بهبود عملكرد فوتوكاتاليستي مرئي در اين نمونه¬ها را به همراه داشت. در بين نمونه¬هاي دوپ شده با نيتروژن، نمونه با نسبت مولي =N/Ti5/1 بهترين خاصيت فوتوكاتاليستي تحت تابش نور مرئي و =N/Ti 1 بهترين خاصيت فوتوكاتاليستي تحت تابش نور فرابنفش را نشان داد و نسبت به نمونه تيتانياي خالص، به ترتيب به ميزان 28 % در تجزيه محلول رودامين B تحت تابش نور مرئي و 36 % در تجزيه متيلن بلو تحت تابش نور فرابنفش موفق تر عمل كردند. در نمونه¬هاي دوپ شده با منگنز، كاهش انرژي نوار ممنوعه تيتانيا و تشكيل پوشش¬هايي با ريزساختار نسبتا يكنواخت تر در مقايسه با تيتانياي خالص، عملكرد فوتوكاتاليستي تحت تابش نور مرئي و فرابنفش را بهبود بخشيد. در بين نمونه هاي دوپ شده با مقادير مختلف منگنز، نمونه با كمترين ميزان منگنز(=Mn/Ti 001/0 %) داراي بهترين عملكرد فوتوكاتاليستي بود و محلول رودامين B و متيلن بلو را به ترتيب به ميزان 19 % و 44 % بيشتر از نمونه تيتانياي خالص تجزيه كرد. در نمونه دوپ شده با فلوئور، انرژي نوار ممنوعه تيتانيا نسبت به تيتانياي خالص به صورت قابل ملاحظه اي كاهش نيافت اما تشكيل پوششي با يك ريزساختار بسيار يكنواخت و با اندازه ذرات ريزتر موجب بهبود عملكرد فوتوكاتاليستي اين نمونه¬ها تحت تابش نور فرابنفش شد به طوري كه ميزان تجزيه محلول متيلن بلو در نمونه دوپ شده با فلوئور به ميزان56 % بيشتر از نمونه تيتانياي خالص بود. در دوپ سه گانه تيتانيا با نيتروژن، فلوئور و منگنز به صورت همزمان، عملكرد فوتوكاتاليستي تحت هر دو تابش نور مرئي و فرابنفش نسبت به تيتانياي خالص به صورت قابل توجهي بهبود يافت كه اين پديده را مي توان نتيجه ي تاثير همزمان دوپنت¬ها بر ريزساختار و ساختار نواري تيتانيا دانست. به عبارت ديگر دوپنت¬هاي نيتروژن و منگنز با كاهش انرژي نوار ممنوعه تيتانيا و افزايش ميزان جذب و دوپنت فلوئور با ريزدانه تر كردن ساختار و ايجاد پوششي با ريزساختار همگن و يكنواخت موجب بهبود عملكرد فوتوكاتاليستي تحت تابش نور مرئي و فرابنفش شدند. در بين نمونه¬هاي دوپ شده با يك دوپنت، پوشش تيتانياي دوپ شده با نيتروژن داراي بهترين عملكرد فوتوكاتاليستي تحت تابش نور مرئي و نمونه دوپ شده با فلوئور داراي بهترين عملكرد تحت تابش نور فرابنفش بود كه علت اين پديده را به ترتيب مي توان به كاهش انرژي نوار ممنوعه تيتانيا و ايجاد يك ريزساختار همگن و ريزدانه تر نسبت داد.

190761

دانشگاه علم و صنعت ايران

سراميك

دكتر فرهاد گلستاني فرد - دكتر سعيد رستگاري