ساخت و مشخصه‌يابي پوشش نانوكامپوزيتي سلسله‌مراتبي دي‌اكسيدتيتانيوم-مكسين جهت كاربردهاي فتوكاتاليستي

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مواد

كارشناسي ارشد

كنترل آلودگي‌هاي محيطي، يكي از مهم‌ترين ملاحظات قرن حاضر به حساب مي‌آيد. امروزه حضور آلاينده‌هاي رنگي و دارويي در منابع آب، يكي از بارز‌ترين تهديدهاي زيست‌محيطي به شمار رفته و تاكنون تدابير مختلفي در جهت برطرف نمودن اين مشكل اتخاذ شده است. در اين ميان مي‌توان از فرايندهاي فتوكاتاليستي به عنوان يكي از نويدبخش‌ترين و پربازده‌ترين رويكردها در اين زمينه ياد كرد. در ميان مواد فتوكاتاليستي مختلف، نانوذرات دي‌اكسيدتيتانيوم دگوسا (P25) كه از اتصال غيرهمگن ميان فازهاي روتيل و آناتاز حاصل مي‌شوند؛ راندمان فتوكاتاليستي مطلوبي را از خود به نمايش گذاشته‌اند. با اين وجود، محدوديت‌ در استفاده از فرم پودري اين ماده فتوكاتاليستي، قابليت فعاليت فتوكاتاليستي آن تنها در بخش كوچكي از طيف نور خورشيد و همچنين نرخ بالاي بازتركيب حاملان بار در آن، سه محدوديت اصلي استفاده از اين نيمه‌رسانا به حساب مي‌آيد. هدف اصلي اين پژوهش، ارائه راهكارهايي جهت غلبه بر محدوديت‌هاي ذكر شده و افزايش راندمان فتوكاتاليستي اين نيمه‌رسانا در راستاي تخريب آلاينده‌هاي متيلن آبي و آنتي‌بيوتيك سيپروفلوكساسين تحت طيف كامل نور خورشيد مي‌باشد. در راستاي رفع محدوديت استفاده از حالت پودري نانوذرات TiO2، ساخت پوششي از اين نانوذرات به عنوان مبناي اصلي اين پژوهش انتخاب شد. جهت جبران كاهش سطح ويژه نانوذرات پس از پوشش‌دهي، رويكرد تغيير مورفولوژي اين پوشش با ايجاد تخلخل‌ در آن اتخاذ گرديد. بدين منظور، از حضور الگوهاي نرم متنوع همچون تريتون ايكس-100، پلي‌استر، پلورونيك F127 و پلورونيك P123 در پوشش مذكور و افزايش تعداد مراكز فعال جهت انجام واكنش‌هاي فتوكاتاليستي با حذف حرارتي اين عوامل ايجادكننده تخلخل بهره گرفته شد. انتخاب پوشش مزومتخلخل بهينه از طريق مشخصه‌يابي‌هاي متنوع و ارزيابي رفتار فتوكاتاليستي اين پوشش‌ها در جهت حذف آلاينده متيلن آبي تحت طيف كامل نور خورشيد انجام پذيرفت. نتايج تأييدي بر افزايش 9/27، 5/36، 9/93 و 6/99 درصدي راندمان فعاليت فتوكاتاليستي اين پوشش‌ها در مقايسه با پوشش متراكم داشت. به طور موازي با اين فاز از پژوهش، حساس‌سازي سطح نانوذرات P25 از طريق ايجاد پيوند ميان ليگاندهاي 4-هيدروكسي بنزوئيك اسيد و اين نانوذرات انجام شد. پس از ارزيابي‌هاي مختلف و تأييد صحت رويكرد حساس‌سازي، اين نانوذرات اصلاح شده، به عنوان منبع دي‌اكسيدتيتانيوم در پوشش مزومتخلخل بهينه جايگزين شدند. حضور اين نانوذرات در پوشش مذكور، با افزايش سطح ويژه پوشش در نتيجه افزايش پايداري ذرات در محلول كلوئيدي و همچنين انتقال طول موج لبه جذب تيتانيا و كاهش 5/7 درصدي شكاف نواري از طريق تشكيل درجاي كروموفورها، موجب افزايش 120 درصدي راندمان فتوكاتاليستي اين پوشش در مقايسه با پوشش متراكم شد. در ادامه جهت تضمين دسترسي واكنش‌دهنده‌ها و نور به مراكز فعال پوشش به منظور انجام واكنش‌هاي فتوكاتاليستي، رويكرد ايجاد ماكروتخلخل‌ها در كنار مزوتخلخل‌هاي پوشش بهينه اتخاذ شد. ساخت اين پوشش سلسله‌مراتبي، از طريق پوشش‌دهي محلول كلوئيدي حاصل از پوشش مزومتخلخل بهينه بر روي ميكروكره‌هاي پلي‌استايرن سنتز و خودآرايي شده بر روي زيرلايه شيشه‌اي به عنوان الگوي سخت و حذف همزمان الگوهاي سخت و نرم موجود در اين پوشش ميسر شد. اين پوشش، بازده فتوكاتاليستي بالاتري را در راستاي تخريب آلاينده‌هاي متيلن آبي و سيپروفلوكساسين در مدت زمان تخريب 50 و 30 دقيقه كمتر از زمان تخريب اين آلاينده‌ها توسط پوشش مزومتخلخل از خود نشان داد. در ادامه جهت بهبود بيشتر راندمان فعاليت فتوكاتاليستي دي‌اكسيدتيتانيوم تحت نور خورشيد، از رويكرد ايجاد اتصال غيرهمگن ميان اين نيمه‌رسانا با مكسين به عنوان يك نيمه‌رساناي نوظهور با شكاف نواري باريك بهره گرفته شد. در اين راستا نانوذرات صفربعدي مكسين عامل‌دار شده، از طريق اچ شدن فاز مكس، پوسته پوسته شدن و شكستن صفحات دوبعدي مكسين سنتز شدند و در ادامه ايجاد اتصال غيرهمگن ميان اين دو نيمه‌رسانا از طريق پوشش‌دهي غوطه‌وري تبخيري صورت پذيرفت. اين پوشش، راندمان فتوكاتاليستي بالايي را در راستاي تخريب آلاينده‌هاي متيلن آبي و سيپروفلوكساسين در مدت زمان تخريب 50 و60 دقيقه كمتر از زمان تخريب اين آلاينده‌ها پيش از ايجاد اتصال غيرهمگن از خود نشان داد.

235976

شناسايي و انتخاب مواد مهندسي

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان