وبلاگ

1-1 پیشگفتار

افزایش روز افزون آلاینده­های گازی و آبی در سال­های اخیر، منجر به توسعه­ زمینه ­های 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 می­ کنند. در میان تمامی فتوکاتالیست­های موجود، اکسید تیتانیوم (TiO2) به­ دلیل 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 به­ دلیل 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 بهره گرفتن 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 می­ شود 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 حوزه های 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 باکتری­ ها 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 می­ شود که این ویژگی به­ دلیل 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 پوشش ­هایی با بازده بالا در امواج مرئی تولید نمود.