1-1 پیشگفتار
افزایش روز افزون آلایندههای گازی و آبی در سالهای اخیر، منجر به توسعهی زمینههای مطالعاتی و کاربردی فتوکاتالیستها شده است. فتوکاتالیستها جزء آن دسته از کاتالیستهایی هستند که با تابش نور فعال شده و آلایندههای موجود در هوا یا آب را به مواد کم ضرر مانند آب و دیاکسید کربن تبدیل میکنند. در میان تمامی فتوکاتالیستهای موجود، اکسید تیتانیوم (TiO2) بهدلیل خواص منحصر به فردی چون پایداری شیمیایی و نوری، قیمت ارزان، عدم انحلال در آب، غیر سمی بودن و … بسیار مورد توجه میباشد.
با این حال بهدلیل قرار گرفتن گاف انرژی آن در محدوده فرابنفش کاربرد آن محدود می شود. برای غلبه بر این محدودیت، مطالعات اخیر روی افزایش بازدهی آن با استفاده از کامپوزیتهای اکسید تیتانیوم- نانو فلز، کاتالیست های الکتروشیمی، اکسید تیتانیوم ذوب شده یا کامپوزیتهای سرامیکی متخلخل معطوف شده است.
1-2 تاریخچه فتوکاتالیست
هر مادهای که قادر باشد در تماس با واکنشگرهای یک واکنش شیمیایی، که از نظر ترمودینامیکی قابل انجام ولی از لحاظ سینتیکی به کندی انجام میشود را از مسیری با انرژی اکتیواسیون کمتر سرعت بخشد، کاتالیست نامیده میشود. روشهای گوناگونی برای انجام این عمل وجود دارد که از آن جمله میتوان به فتوکاتالیست، کاتالیست گرمایی، کاتالیستهای پایه اسیدی، کاتالیست ردوکس و کاتالیستهای آنزیمی اشاره کرد [1].
اخیراً فتوکاتالیست بخش عمدهای از تحقیقات در حوزههای علمی از قبیل فیزیک، شیمی، مهندسی سطح را از آن خود کرده است و امید آن میرود که بتوان برای رفع مشکلات مختلف زیست محیطی راه حلهای مناسبی بهکمک این علم بهدست آورد.
واژه فتوکاتالیست از دهه 1920 مورد استفاده بوده است. اگرچه خود لغت فتوکاتالیست به غلط مفهومی را با مضمون فعالسازی واکنش کاتالیستی توسط نور را میرساند اما در واقع فتوکاتالیست مادهای است که باعث سرعت بخشیدن به یک واکنش نوری میگردد. در اواسط دهه 1920 نیمههادیهایی چون اکسید روی مورد توجه قرار گرفت زیرا این اکسید قادر به تجزیه مواد نوری در یک واکنش نوری بود. طولی نکشید که اکسید تیتانیوم برای انجام این عمل بهجای اکسید روی معرفی گردید [2].
اکثر کارهای ابتدایی در حوزه نیمههادیهای حساس به نور در دهه 1960 انجام گرفت. که نهایتا منجر به ساخت اولین سلول فوتوشیمیایی برای تجزیه آب با الکترودهای پوشانده شده با پلاتین و اکسید تیتانیوم در اوایل دهه 1970 شد. در اوایل دهه 1980 اکسید تیتانیوم برای
اولین بار برای رسوب دهی ماده آلی خاص و از پیش تعیین شده به کمک پرتوتابی مورد استفاده قرار گرفت. از آن زمان تاکنون تحقیقات در بخش فتوکاتالیست روی اکسیداسیون مواد آلی در آب، توسط این ماده متمرکز شده است. همچنین افزایش
چشمگیری در تحقیقات در زمینه اکسیداسیون باکتریها و مواد آلی شیمیایی فرار جهت تصفیه و پاکسازی هوا بهوجود آمده است [3].
در طی سالیان دراز چندین نیمههادی با خواص فتوکاتالیست مورد بررسی قرار گرفتهاند که از آن جمله
می توان به TiO2 (3.2eV), SrTiO3 (3.4eV), Fe2O3 (2.2eV), CdS (2.5eV), WO3 (2.8eV), ZnS (3.6eV) FeTiO3 (2.8eV),V2 (2.8eV), Nb2O5 (3.4eV), ZrO2 (5eV), اشاره کرد. از میان این فتوکاتالیستها اکسید تیتانیوم برتری خود را در زمینه تحقیقات، بهینهسازی و کاربرد به اثبات رسانده است. دلیل این موفقیت را
میتوان در خصوصیاتی چون غیر سمی بودن، سطح ویژه بالا، قیمت ارزان، قابلیت بازیافت، روشهای مختلف ساخت و پایداری شیمیایی نوری بالای اکسید تیتانیوم جستجو کرد. همچنین باید این نکته را مد نظر قرار داد که اکسید تیتانیوم جزو 50 ترکیب شیمیایی قابل دسترس میباشد که این امر موجب میگردد تا مدت زیادی به وفور و با قیمت مناسب بتوان از آن استفاده کرد.
محلول فتوکاتالیستی قادر است باکتری، آلایندههای شیمیایی و بیولوژیکی، مواد سمی، بوهای بد و کپک را تجزیه کند. هنگامیکه TiO2 بهعنوان یک فتوکاتالیست در برابر پرتوهای ماورا بنفش قرار میگیرد تولید اکسیژن فعال از اکسیژن و آب موجود در هوا مینماید. بهخاطر خواص طبیعی فتوکاتالیست در هنگام این واکنش شیمیایی تغییراتی در خواص فتوکاتالیست پدید نمیآید. در واقع سطوح در معرض پرتو، با اکسیژن موجود در هوا واکنش داده و با خواص فتوکاتالیستی خود را مجددا باز مییابند. در واقع فتوکاتالیست دیاکسید تیتانیوم قادر است هر ترکیب آلی و مضر برای سلامت انسان را به دو جزء آب و دیاکسید کربن تجزیه کند و در نتیجه محیطی تمیزتر و ایمنتر برای سلامت انسان مهیا سازد.
در مقابل مزایای نسبتاً مناسب اکسید تیتانیوم معایبی نیز وجود دارد. اکسید تیتانیوم دارای یک فاز پایدار با نام روتایل (ساختار تتراگونال) و دو فاز نیمه پایدار با نامهای آناتاز (تتراگونال) و بروکیت (ارتورومبیک) میباشد. اگرچه روتایل کاربرد عمدهای در صنایع رنگدانه دارد اما فاز آناتاز اکسید تیتانیوم با باند ممنوعه 2/3 فعالترین ساختار کریستالی اکسید تیتانیوم محسوب میشود که این ویژگی بهدلیل انرژی باند ممنوعه مناسب و سطح ویژه بالای این فاز است. با توجه به انرژی باند ممنوعه اکسید تیتانیوم پرتوهای با طول موج کمتر از 385 نانومتر قادر به فعال سازی این اکسید میباشند. در نتیجه اکسید تیتانیوم به صورت خالص را در پرتوهای فرابنفش
میتوان بهعنوان فتوکاتالیست استفاده کرد. این امر موجب میگردد بازده اکسید تیتانیوم در امواج مرئی
(نور خورشید) که بیشترین توجه بازار به این بخش فتوکاتالیست معطوف میباشد را کاهش دهد. زیرا تنها (%5-5/3) امواج خورشید حاوی پرتوهای فرابنفش است. بنابراین در حالیکه فاز آناتاز اکسید تیتانیوم بهعنوان فتوکاتالیست بازده مناسبی در امواج فرابنفش دارد اما در کاربردهای با امواج مرئی کاملا ناتوان است. در نتیجه با اضافه کردن عناصر فلزی واسطه نظیر آهن، کبالت، نیکل و فلزات دیگر، همچنین با توجه به دو پارامتر قیمت و در دسترس بودن میتوان طیف جذب TiO2 را به سمت امواج مرئی هدایت کرد و پوششهایی با بازده بالا در امواج مرئی تولید نمود.
فرم در حال بارگذاری ...