وجهات النظر: 0 المؤلف: محرر الموقع النشر الوقت: 2025-01-30 الأصل: موقع
ظهر ثاني أكسيد التيتانيوم (TIO₂) كمواد واعدة للغاية في مجال التحفيز الضوئي بسبب خصائصه الرائعة مثل الاستقرار الكيميائي ، وعدم التسمم ، والتكلفة المنخفضة نسبيًا. التحفيز الضوئي ، العملية التي يتم بها استخدام الطاقة الخفيفة لدفع التفاعلات الكيميائية بمساعدة محفز ضوئي مثل TiO₂ ، لديها العديد من التطبيقات بما في ذلك تنقية المياه وتنقية الهواء والأسطح ذاتية التنظيف. ومع ذلك ، فإن نشاط التحفيز الضوئي الأصلي لـ TIO₂ يحتاج إلى تعزيز في كثير من الأحيان لتلبية متطلبات التطبيقات العملية المختلفة. في هذه الدراسة الشاملة ، سوف نتعمق في الاستراتيجيات والآليات المختلفة التي يمكن استخدامها لتعزيز نشاط التحفيز الضوئي لـ TiO₂.
قبل استكشاف طرق التحسين ، من الأهمية بمكان أن يكون لديك فهم قوي للمبادئ الأساسية لتحفيز Tio₂ الضوئي. TiO₂ هي مادة أشباه الموصلات مع فجوة شريطية مميزة. عندما تكون الفوتونات ذات الطاقة تساوي أو أكبر من طاقة فجوة النطاق الخاصة بـ TiO₂ (بالنسبة إلى Anatase TiO₂ ، فإن فجوة النطاق تقارب 3.2 فولت) تضرب سطح المادة ، فإن الإلكترونات الموجودة في نطاق التكافؤ متحمسون لفرقة التوصيل ، تاركًا وراء الثقوب في نطاق التكافؤ. أزواج ثقب الإلكترون هذه هي اللاعبين الرئيسيين في عملية التحفيز الضوئي.
يمكن أن تتفاعل الإلكترونات المتحمسة في نطاق التوصيل مع مستقبلات الإلكترون مثل جزيئات الأكسجين التي تم امتصاصها على سطح TiO₂ ، مما يقلل منها إلى جذور أكسيد الفائق (O₂⁻ •). وفي الوقت نفسه ، يمكن للثقوب الموجودة في نطاق التكافؤ أن تؤكس على المتبرعين الإلكترون مثل المياه أو الملوثات العضوية الموجودة على السطح ، مما يولد جذور الهيدروكسيل (OH •). هذه الجذور الشديدة التفاعل قادرة على تحطيم الملوثات العضوية إلى جزيئات أصغر وأقل ضررًا من خلال سلسلة من تفاعلات الأكسدة والخفض. على سبيل المثال ، في حالة تنقية المياه ، يمكن أن تتحلل الملوثات العضوية مثل الأصباغ أو المبيدات بشكل فعال عن طريق عمل هذه الجذور.
ومع ذلك ، يمكن أن تحد العديد من العوامل من كفاءة هذه العملية التحفيزية الضوئية الطبيعية. أحد القيود الرئيسية هو إعادة التركيب السريع لأزواج فتحة الإلكترون قبل أن يتمكنوا من المشاركة في تفاعلات الأكسدة والاختزال المطلوبة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن قدرة الامتزاز لـ TIO₂ للملوثات وكفاءة استخدام الطاقة الخفيفة تلعب أيضًا أدوارًا مهمة في تحديد النشاط المحفز الضوئي العام. يوفر فهم هذه القيود أساسًا لاستكشاف استراتيجيات لتعزيز الأداء التحفيزي الضوئي لـ TiO₂.
المنشطات هي طريقة مدروسة على نطاق واسع لتحسين نشاط التحفيز الضوئي لـ TiO₂. وهو ينطوي على إدخال الذرات الأجنبية في بنية شعرية تيو. يمكن أن تغير ذرات Dopant هذه الخواص الإلكترونية لـ TiO₂ ، مما يؤثر على سلوكها المحفز الضوئي.
هناك نوعان رئيسيان من تعاطي المنشطات: المنشطات الكاتيونية وذوي المنشطات الأنيونية. يتضمن المنشطات الكاتيونية عادة استبدال ذرات التيتانيوم (TI) في شعرية Tio₂ مع الكاتيونات المعدنية مثل المعادن الانتقالية (على سبيل المثال ، Fe ، Cu ، Mn). على سبيل المثال ، عندما يتم تدخل أيونات fe⁺⁺ إلى tio₂ ، يمكنها إدخال مستويات طاقة إضافية داخل فجوة النطاق من TiO₂. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تقليل فجوة النطاق الفعالة ، مما يسمح لـ TiO₂ بامتصاص الضوء مع طاقة أقل من فجوة النطاق الأصلية. نتيجة لذلك ، يمكن استخدام نطاق أوسع من الطيف الشمسي للتحفيز الضوئي. في دراسة أجراها [اسم الباحث] ، وجد أن TiO₂ Doped أظهرت تحفيزًا كبيرًا بشكل كبير من صبغة الميثيلين الأزرق تحت تشعيع الضوء المرئي مقارنةً بـ TiO₂ النقي. تم زيادة معدل التحلل بحوالي 40 ٪ في ظل نفس الظروف التجريبية.
المنشطات الأنيونية ، من ناحية أخرى ، يتضمن عادة استبدال ذرات الأكسجين (O) في شعرية Tio₂. على سبيل المثال ، تم التحقيق في المنشطات مع النيتروجين (N) على نطاق واسع. يمكن أن يخلق منشطات النيتروجين حالات منتصف الفجوة داخل فجوة النطاق من TiO₂ ، والتي يمكن أن تؤدي أيضًا إلى انخفاض في فجوة النطاق الفعالة وامتصاص الضوء المرئي المعزز. ذكرت مجموعة أبحاث أن N-doped Tio₂ كان قادرًا على تحطيم الملوثات العضوية في مياه الصرف الصحي بشكل أكثر فعالية من TiO₂ غير المرئي تحت الضوء المرئي. ويعزى التحلل المعزز إلى تحسين امتصاص الضوء وزيادة الفصل بين أزواج فتحة الإلكترون بسبب وجود حالات منتصف الفجوة.
ومع ذلك ، فإن المنشطات لديها أيضا تحديات. يجب تحديد تركيز المنشطات الأمثل بعناية لأن المنشطات المفرطة يمكن أن يؤدي إلى تكوين مجموعات العيوب أو إدخال حالات إلكترونية غير مرغوب فيها قد تقلل فعليًا من نشاط التحفيز الضوئي. على سبيل المثال ، إذا كان تركيز تعاطي المنشطات في كاتيون معدني معين مرتفعًا جدًا ، فقد يتسبب ذلك في زيادة إعادة تركيب أزواج فتحة الإلكترون بدلاً من الانخفاض ، وبالتالي مواجهة تأثير التحسين المقصود.
استراتيجية أخرى فعالة لتعزيز نشاط التحفيز الضوئي لـ TIO₂ هي إرفاقها بمواد أشباه الموصلات الأخرى. عندما يتم الجمع بين اثنين من أشباه الموصلات مع طاقات خلفية مختلفة ، يتم تشكيل وظيفة غير متجانسة في واجهتها. يمكن أن يلعب هذا غير متجانس دورًا حاسمًا في تسهيل فصل أزواج ثقب الإلكترون وتحسين الكفاءة الضوئية الكلية.
مزيج واحد شائع يدرس هو tio₂ مع ZnO. ZnO هو أشباه الموصلات الأخرى مع فجوة فرقة ضيقة نسبيا (حوالي 3.37 فولت ل wurtzite ZnO). عندما يتم اقتران Tio₂ و ZnO ، يؤدي الفرق في طاقات الجدان الفرقة إلى تكوين من النوع الثاني من النوع الثاني. في هذا التغاير الوظيفي ، يكون نطاق توصيل ZnO في مستوى طاقة أعلى من مستوى TiO₂ ، في حين أن نطاق التكافؤ من ZnO هو في مستوى طاقة أقل من مستوى Tio₂. ونتيجة لذلك ، عندما يتم امتصاص الضوء إما من قبل أشباه الموصلات ، تميل الإلكترونات المتحمسة في نطاق توصيل ZnO إلى الانتقال إلى نطاق التوصيل من TiO₂ ، وتميل الثقوب الموجودة في نطاق التكافؤ من Tio₂ إلى الانتقال إلى نطاق التكافؤ في ZnO. تفصل هذه الترحيل الاتجاهي لأزواج فتحة الإلكترون بفعالية ، مما يقلل من معدل إعادة التركيب ويعزز نشاط التحفيز الضوئي.
وقد أظهرت الدراسات التجريبية فعالية نهج الاقتران هذا. على سبيل المثال ، في دراسة حول تدهور صبغة رودامين B ، أظهر مركب Tio₂-Zno معدل تدهور أعلى بكثير من Tio₂ النقي أو ZnO وحده. كان معدل تدهور المركب أعلى بنسبة 60 ٪ تقريبًا من معدل TiO₂ النقي في نفس الظروف التجريبية. نسب هذا التحسن الكبير إلى الفصل الفعال لأزواج فتحة الإلكترون في واجهة غير متجانسة.
مزيج اقتران شائع آخر هو tio₂ مع الأقراص المدمجة. يحتوي CDS على فجوة صغيرة نسبيًا (حوالي 2.4 فولت) ، مما يعني أنه يمكن أن يمتص نطاقًا أوسع من الطيف الشمسي ، بما في ذلك الضوء المرئي. عندما يتم اقتران TiO₂ و CDS ، يتم أيضًا تشكيل غير متجانسة من النوع الثاني. يمكن للإلكترونات متحمسة في نطاق التوصيل من CDS الانتقال إلى نطاق التوصيل من TiO₂ ، ويمكن للثقوب في نطاق التكافؤ من TiO₂ الانتقال إلى نطاق التكافؤ من الأقراص المدمجة. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الأقراص المدمجة هي مادة سامة ، لذلك يجب توخي الحذر الخاص عند استخدام مركبات CDS-TIO₂ في التطبيقات التي تكون السمية مصدر قلق ، كما هو الحال في تنقية المياه لمياه الشرب.
يعد تعديل السطح نهجًا مهمًا لتعزيز نشاط التحفيز الضوئي لـ TiO₂. من خلال تعديل سطح TiO₂ ، يمكننا تحسين قدرتها على الامتزاز للملوثات ، وتعزيز فصل أزواج فتحة الإلكترون ، وزيادة كفاءة استخدام الطاقة الخفيفة.
طريقة تعديل السطح الشائعة هي ترسب المعادن النبيلة على سطح TiO₂. تحتوي المعادن النبيلة مثل البلاتين (PT) والذهب (AU) والفضة (AG) على خصائص إلكترونية فريدة يمكنها التفاعل مع TiO₂. عندما يتم إيداع كمية صغيرة من الجسيمات النانوية المعدنية النبيلة على سطح Tio₂ ، يمكن أن تعمل كصائد إلكترون. على سبيل المثال ، عندما يتم إيداع الجسيمات النانوية PT على TiO₂ ، تنجذب الإلكترونات المتحمسة في نطاق توصيل TiO₂ إلى الجسيمات النانوية PT ، والتي تفصل فعليًا أزواج فتحة الإلكترون. هذا الفصل يقلل من معدل إعادة التركيب ويعزز نشاط التحفيز الضوئي. في دراسة حول تدهور الفينول ، أظهر TiO₂ PT-deposited معدل تدهور أعلى بكثير من TiO₂ النقي. تم زيادة معدل التحلل بنحو 50 ٪ في نفس الظروف التجريبية.
تقنية تعديل السطح الأخرى هي وظائف سطح TiO₂ مع الجزيئات العضوية. يمكن ربط المجموعات الوظيفية العضوية بسطح TiO₂ من خلال التفاعلات الكيميائية المختلفة. يمكن لهذه المجموعات الوظيفية تغيير خصائص السطح لـ TiO₂ ، مثل الكارهة للماء أو الماء. على سبيل المثال ، إذا تم توصيل مجموعة وظيفية ماء بسطح TiO₂ ، فيمكنها تحسين امتزاز الملوثات القابلة للذوبان في الماء. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن لبعض المجموعات الوظيفية العضوية أيضًا أن تعمل كمتبرعين أو متجانسين للإلكترون ، مما يسهل عملية التحفيز الضوئي. أفاد فريق بحث أنه من خلال وضع سطح TiO₂ مع جزيء عضوي معين ، تم تعزيز تدهور التحفيز الضوئي لملوث عضوي في مياه الصرف الصحي بحوالي 30 ٪ مقارنة بـ TiO₂ غير المعدلة.
السطح هو أيضا طريقة تعديل السطح قابلة للحياة. من خلال إنشاء قوام صغير أو نانو على سطح TiO₂ ، يمكننا زيادة مساحة السطح المتاحة لامتصاص الضوء والامتصاص الملوث. على سبيل المثال ، من خلال تصنيع أسطح Tio₂ النانو المسامية ، يمكن زيادة مساحة السطح بشكل كبير. تتيح هذه المساحة السطحية المتزايدة امتصاص الضوء بشكل أكثر كفاءة وامتصاص الملوثات ، وبالتالي تعزيز نشاط التحفيز الضوئي. في دراسة حول تنقية الهواء ، أظهرت TiO₂ المسامية النانو كفاءة أعلى في إزالة المركبات العضوية المتطايرة (VOCs) من أسطح Tio₂ الناعمة بسبب زيادة مساحة السطح وتحسين امتصاص الضوء.
تبين أن الهيكلة النانوية tio₂ في أشكال مختلفة مثل الجسيمات النانوية ، الأنابيب النانوية ، والأسلاك النانوية لها تأثير كبير على نشاطها المحفز الضوئي. تقدم الهياكل النانوية العديد من المزايا على نظرائهم السائقين.
أولاً ، عادةً ما يكون للهياكل النانوية مساحة سطح أكبر بكثير إلى حجم. على سبيل المثال ، يمكن أن يكون للجسيمات النانوية التي يبلغ قطرها 10 نانومتر نسبة سطح إلى حجمها عدة أوامر أكبر من حجم TiO₂. توفر هذه المساحة السطحية المتزايدة المزيد من المواقع لامتصاص الضوء ، وامتصاص الملوثات ، وتوليد أزواج الفتحة الإلكترونية. في دراسة حول تدهور الأصباغ العضوية ، أظهرت الجسيمات النانوية Tio₂ معدل تدهور أسرع بكثير من TiO₂. كان معدل تدهور الجسيمات النانوية أعلى بنسبة 80 ٪ تقريبًا من معدل المادة السائبة في نفس الظروف التجريبية.
ثانياً ، يمكن أن تحتوي الهياكل النانوية على خصائص إلكترونية فريدة. على سبيل المثال ، يمكن أن الأنابيب النانوية Tio₂ يمكن أن تظهر فصلًا محسّنًا بسبب هيكلها أحادي البعد. يسمح الشكل الأنبوبي بنقل فعال للإلكترونات على طول محور الأنبوب ، مما يقلل من معدل إعادة التركيب لأزواج فتحة الإلكترون. في دراسة حول تنقية المياه ، أظهرت الأنابيب النانوية Tio₂ كفاءة أعلى في الملوثات العضوية المهينة من الجسيمات النانوية Tio₂ الكروية. ويعزى الكفاءة المعززة إلى فصل الشحن المحسّن والنقل داخل الأنابيب النانوية.
أخيرًا ، يمكن دمج الهياكل النانوية بسهولة في أجهزة وأنظمة مختلفة. على سبيل المثال ، يمكن استخدام الأسلاك النانوية tio₂ لتصنيع أجهزة التحفيز الضوئي المرنة. يمكن تطبيق هذه الأجهزة المرنة في مناطق مثل التكنولوجيا القابلة للارتداء لتنقية الهواء والماء. في تطور النموذج الأولي ، كان جهاز التحفيز الضوئي المرن القائم على الأسلاك النانوية قادرًا على تحطيم الملوثات العضوية بشكل فعال في بيئة يمكن ارتداؤها محاكاة ، مما يدل على إمكانات التركيب النانوي للتطبيقات العملية.
بالإضافة إلى تعديل مادة TiO₂ نفسها ، يمكن أن يلعب تحسين ظروف التفاعل أيضًا دورًا مهمًا في تعزيز نشاط التحفيز الضوئي.
أحد الجوانب المهمة هو التحكم في شدة الضوء وطول الموجة. قد تتطلب التطبيقات المختلفة شدة وأطوال موجية مختلفة للضوء للأداء المحفز الضوئي الأمثل. على سبيل المثال ، في تطبيقات تنقية المياه ، قد تكون هناك حاجة إلى شدة معينة من الضوء فوق البنفسجي لتدهور الملوثات العضوية بشكل فعال. ومع ذلك ، إذا كانت شدة الضوء مرتفعة للغاية ، فقد تتسبب في تسخين مفرط لمادة TiO₂ ، والتي يمكن أن تؤدي إلى انخفاض في نشاط التحفيز الضوئي. من ناحية أخرى ، إذا كانت شدة الضوء منخفضة للغاية ، فقد يكون معدل توليد أزواج فتحة الإلكترون غير كافية. لذلك ، من الضروري ضبط شدة الضوء بعناية وفقًا لمتطلبات التطبيق المحددة.
يؤثر اختيار المذيبات أو المتوسطة أيضًا على نشاط التحفيز الضوئي. في بعض الحالات ، يمكن أن يؤدي استخدام مذيب قطبي مثل الماء إلى تعزيز امتصاص الملوثات القطبية على سطح Tio₂ وتسهيل عملية التحفيز الضوئي. ومع ذلك ، بالنسبة للملوثات غير القطبية ، قد يكون المذيب غير القطبي أكثر ملاءمة. على سبيل المثال ، في تدهور المركبات العضوية غير القطبية في مجرى النفايات الدهنية ، يمكن أن يؤدي استخدام مذيب غير قطبي مثل الهكسان إلى تحسين التفاعل بين الملوثات وسطح TiO₂ ، مما يؤدي إلى عملية تدهور أكثر كفاءة.
درجة الحرارة عامل آخر يحتاج إلى النظر فيه. بشكل عام ، يمكن أن تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى تسريع معدل التفاعلات الكيميائية. في سياق التحفيز الضوئي Tio₂ ، يمكن أن تعزز زيادة معتدلة في درجة الحرارة تنقل الإلكترونات والثقوب ، مما يقلل من معدل إعادة التركيب وزيادة نشاط التحفيز الضوئي. ومع ذلك ، إذا كانت درجة الحرارة مرتفعة للغاية ، فقد تتسبب في امتصاص الملوثات الممتصة من سطح TiO₂ أو حتى تلف مادة Tio₂ نفسها. لذلك ، من الضروري العثور على نطاق درجة الحرارة الأمثل لتطبيق معين.
بدلاً من الاعتماد على طريقة واحدة لتعزيز نشاط التحفيز الضوئي لـ TiO₂ ، يمكن أن تحقق الأساليب التوافقية التي تجمع بين استراتيجيات متعددة في كثير من الأحيان تأثير تعزيز التآزر.
على سبيل المثال ، يمكن أن يكون مزيج من المنشطات وتعديل السطح فعالًا للغاية. عن طريق المنشطات التي يتمتع بها معونة معدنية مناسبة مثل Fe⁺⁺ ثم إيداع الجسيمات النانوية المعدنية النبيلة مثل PT على سطح Tio₂ المخدر ، يمكن تغيير كل من الخواص الإلكترونية لـ TiO₂ لتحسين امتصاص الضوء ويمكن تحسين فصل أزواج ثقب الإلكترون. في دراسة حول تدهور ملوث عضوي معقد ، أدى هذا النهج التوافقي إلى معدل تدهور كان أكثر من ضعف معدل tio₂ النقي في نفس الظروف التجريبية.
مثال آخر هو مزيج من البنية النانوية والاقتران مع أشباه الموصلات الأخرى. إذا تم تصنيع الأنابيب النانوية tio₂ أولاً ثم إلى جانب ZnO لتشكيل غير متجانسة ، يمكن دمج الخواص الإلكترونية الفريدة للأنابيب النانوية مع التأثيرات المفيدة للتغاير. توفر الأنابيب النانوية مساحة سطح كبيرة وفصل شحنة فعال ، في حين أن غير المتجانسة تفصل بين أزواج ثقب الإلكترون ويحسن الكفاءة المحفزة الضوئية الشاملة. في دراسة حول تنقية الهواء ، أظهر هذا النهج المشترك تحسنًا كبيرًا في إزالة المركبات العضوية المتطايرة مقارنة باستخدام إما الأنابيب النانوية أو ZnO-Tio₂ غير المتجانسة وحدها.
توفر الأساليب التوافقية أيضًا ميزة القدرة على معالجة قيود متعددة للتحفيز الضوئي TiO₂ في وقت واحد. على سبيل المثال ، يمكن أن يعالج المنشطات مسألة امتصاص الضوء المحدود ، يمكن أن يؤدي تعديل السطح إلى تحسين امتصاص الملوثات ، ويمكن أن يؤدي الاقتران مع أشباه الموصلات الأخرى إلى تعزيز فصل أزواج فتحة الإلكترون. من خلال الجمع بين هذه الاستراتيجيات ، يمكن تحقيق تعزيز أكثر شمولاً وفعالية لنشاط التحفيز الضوئي لـ TIO₂.
في حين تم إحراز تقدم كبير في تعزيز نشاط التحفيز الضوئي لـ TiO₂ ، لا يزال هناك العديد من التحديات التي يجب معالجتها.
أحد التحديات الرئيسية هو استقرار أنظمة التحفيز الضوئي المعزز. على سبيل المثال ، في حالة TiO₂ المخدر ، بمرور الوقت ، قد تنتشر ذرات Dopant من بنية الشبكة ، مما يؤدي إلى انخفاض في نشاط التحفيز الضوئي المحسن. وبالمثل ، في المركبات التي تشكلت عن طريق الاقتران مع أشباه الموصلات الأخرى ، قد تتحلل الواجهة بين أشباه الموصلات بمرور الوقت ، مما يؤثر على كفاءة التغاير. يعد الحفاظ على الاستقرار طويل الأجل لهذه الأنظمة المحسنة أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقاتها العملية.
التحدي الآخر هو توسيع نطاق عمليات التحفيز الضوئي المحسّن. تم إجراء معظم الدراسات التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن على نطاق مختبر. عندما يتعلق الأمر بالتطبيقات على نطاق صناعي ، فإن قضايا مثل المنشطات الموحدة ، والإنتاج على نطاق واسع للهياكل النانوية ، وتعديل السطح الفعال على نطاق واسع بحاجة إلى معالجة. على سبيل المثال ، في إنتاج الجسيمات النانوية tio₂ لتنقية المياه على مقياس صناعي ، وضمان حجم الجسيمات الموحدة وتحفيز ضوئي ثابت
