نمایش ها: 0 نویسنده: ویرایشگر سایت زمان انتشار: 2025-01-30 مبدا: محل
دی اکسید تیتانیوم (TIO₂) به دلیل خاصیت قابل توجه آن مانند پایداری شیمیایی ، عدم سمیت و هزینه نسبتاً کم به عنوان یک ماده بسیار امیدوار کننده در زمینه فتوکاتالیز ظاهر شده است. فتوکاتالیز ، فرایندی که از طریق آن انرژی سبک برای هدایت واکنش های شیمیایی با کمک یک فتوکاتالیست مانند Tio₂ استفاده می شود ، کاربردهای بی شماری از جمله تصفیه آب ، تصفیه هوا و سطوح خود تمیز کردن دارد. با این حال ، فعالیت فوتوکاتالیستی بومی Tio₂ اغلب برای برآورده کردن نیازهای کاربردهای مختلف عملی باید افزایش یابد. در این مطالعه جامع ، ما به استراتژی ها و مکانیسم های مختلفی که می توان برای تقویت فعالیت فوتوکاتالیستی Tio₂ استفاده کرد ، عمیق خواهیم پرداخت.
قبل از کاوش در روشهای پیشرفت ، درک کاملی از اصول اساسی فوتوکاتالیز Tio₂ بسیار مهم است. Tio₂ یک ماده نیمه هادی است که دارای یک باند مشخصه است. هنگامی که فوتون هایی با انرژی برابر یا بیشتر از انرژی باند Tio₂ (برای آناتاز Tio₂ ، باند تقریباً 3.2 ولت است) به سطح مواد ضربه می زند ، الکترون های موجود در باند Valence از باند هدایت هیجان زده می شوند و سوراخ هایی را در باند Valence پشت سر می گذارند. این جفت های سوراخ الکترون بازیگران اصلی در فرآیند فوتوکاتالیستی هستند.
الکترونهای هیجان زده در باند هدایت می توانند با پذیرندگان الکترون مانند مولکولهای اکسیژن که بر روی سطح Tio₂ جذب می شوند ، واکنش نشان دهند و آنها را به رادیکال های سوپر اکسید کاهش دهند (O₂⁻ •). در همین حال ، سوراخ های موجود در باند Valence می توانند اهدا کنندگان الکترونی مانند آب یا آلاینده های آلی موجود در سطح را اکسیده شوند و رادیکال های هیدروکسیل تولید می کنند (OH •). این رادیکال های بسیار واکنشی قادر به تجزیه آلاینده های آلی در مولکول های کوچکتر و کمتر مضر از طریق یک سری واکنش های اکسیداسیون و کاهش هستند. به عنوان مثال ، در مورد تصفیه آب ، آلاینده های آلی مانند رنگ یا سموم دفع آفات می توانند با عملکرد این رادیکال ها به طور مؤثر تخریب شوند.
با این حال ، چندین عامل می توانند کارایی این فرآیند فتوکاتالیستی طبیعی را محدود کنند. یک محدودیت مهم نوترکیبی سریع جفت های سوراخ الکترون قبل از شرکت در واکنشهای ردوکس مورد نظر است. علاوه بر این ، ظرفیت جذب Tio₂ برای آلاینده ها و بهره وری استفاده از انرژی نور نیز نقش مهمی در تعیین فعالیت کلی فوتوکاتالیستی دارد. دانستن این محدودیت ها پایه و اساس را برای کاوش در استراتژی ها برای تقویت عملکرد فوتوکاتالیستی TIO₂ فراهم می کند.
دوپینگ روشی گسترده برای بهبود فعالیت فوتوکاتالیستی Tio₂ است. این شامل ورود اتم های خارجی به ساختار شبکه Tio₂ است. این اتم های دوپانت می توانند خواص الکترونیکی Tio₂ را تغییر دهند ، در نتیجه بر رفتار فوتوکاتالیستی آن تأثیر بگذارند.
دو نوع اصلی دوپینگ وجود دارد: دوپینگ کاتیونی و دوپینگ آنیونی. دوپینگ کاتیونی به طور معمول شامل جایگزینی اتم های تیتانیوم (TI) در شبکه Tio₂ با کاتیونهای فلزی مانند فلزات انتقال (به عنوان مثال ، آهن ، مس ، منگنز) است. به عنوان مثال ، هنگامی که یونهای Fe³⁺ به Tio₂ دوپ می شوند ، می توانند سطح انرژی اضافی را در باند Tio₂ معرفی کنند. این می تواند منجر به کاهش باند موثر شود و به Tio₂ اجازه می دهد تا نور را با انرژی کمتری نسبت به باند بومی خود جذب کند. در نتیجه ، می توان از طیف وسیع تری از طیف خورشیدی برای فتوکاتالیز استفاده کرد. در یک مطالعه توسط [نام محقق] ، مشخص شد که Tio₂ آهن دوپ شده به طور قابل توجهی تخریب فوتوکاتالیستی از رنگ آبی متیلن تحت تابش نور مرئی در مقایسه با Tio₂ خالص به نمایش گذاشته شده است. میزان تخریب در همان شرایط آزمایشی تقریباً 40 ٪ افزایش یافته است.
از طرف دیگر ، دوپینگ آنیونی معمولاً شامل جایگزینی اتم های اکسیژن (O) در شبکه Tio₂ است. به عنوان مثال ، دوپینگ با نیتروژن (N) به طور گسترده مورد بررسی قرار گرفته است. دوپینگ نیتروژن می تواند حالت های میانی شکاف را در باند Tio₂ ایجاد کند ، که همچنین می تواند منجر به کاهش باند موثر و افزایش جذب نور مرئی شود. یک گروه تحقیقاتی گزارش داد که Tio₂ N-Doped قادر به تخریب آلاینده های آلی در فاضلاب به طور مؤثرتر از Tio₂ Undoped در زیر نور مرئی است. تخریب پیشرفته به بهبود جذب نور و افزایش جدایی جفت های الکترونی سوراخ به دلیل وجود حالتهای میانی شکاف نسبت داده شد.
با این حال ، دوپینگ نیز چالش های خود را دارد. غلظت بهینه دوپینگ باید با دقت مشخص شود زیرا دوپینگ بیش از حد می تواند منجر به تشکیل خوشه های نقص یا معرفی حالتهای الکترونیکی ناخواسته شود که در واقع ممکن است فعالیت فوتوکاتالیستی را کاهش دهد. به عنوان مثال ، اگر غلظت دوپینگ یک کاتیون فلزی خاص خیلی زیاد باشد ، ممکن است باعث شود که نوترکیب جفت های سوراخ الکترون به جای کاهش افزایش یابد ، در نتیجه اثر تقویت در نظر گرفته شده را خنثی می کند.
یکی دیگر از استراتژی های مؤثر برای تقویت فعالیت فوتوکاتالیستی TIO₂ ، جفت کردن آن با سایر مواد نیمه هادی است. هنگامی که دو نیمه هادی با انرژی باند مختلف با هم ترکیب می شوند ، یک ناهماهنگی در رابط آنها تشکیل می شود. این هتروژ عملکرد می تواند نقش مهمی در تسهیل جداسازی جفت های الکترون و بهبود راندمان کلی فوتوکاتالیستی داشته باشد.
یکی از ترکیب های متداول Tio₂ با ZnO است. ZnO یک نیمه هادی دیگر با باند نسبتاً باریک است (حدود 3.37 ولت برای Wurtzite ZnO). هنگامی که Tio₂ و ZnO همراه هستند ، تفاوت در انرژیهای باند آنها منجر به تشکیل یک ناهماهنگی نوع II می شود. در این ناهمگونی ، باند هدایت ZnO در سطح انرژی بالاتری نسبت به Tio₂ قرار دارد ، در حالی که باند Valence ZnO در سطح انرژی کمتری نسبت به Tio₂ قرار دارد. در نتیجه ، هنگامی که نور توسط هر یک نیمه هادی جذب می شود ، الکترون های هیجان زده در باند هدایت ZnO تمایل به مهاجرت به باند هدایت Tio₂ دارند ، و سوراخ های موجود در باند Valence Tio₂ تمایل به مهاجرت به باند Valence ZnO دارند. این مهاجرت جهت دار جفت های سوراخ الکترون به طور موثری آنها را از هم جدا می کند و میزان نوترکیبی را کاهش می دهد و فعالیت فوتوکاتالیستی را افزایش می دهد.
مطالعات تجربی اثربخشی این رویکرد اتصال را نشان داده اند. به عنوان مثال ، در یک مطالعه در مورد تخریب رنگ Rhodamine B ، کامپوزیت Tio₂-Zno میزان تخریب بسیار بالاتری نسبت به Tio₂ خالص یا ZnO به تنهایی نشان داد. میزان تخریب کامپوزیت تقریباً 60 ٪ بیشتر از TIO₂ خالص در همان شرایط آزمایشی بود. این پیشرفت قابل توجه به جداسازی کارآمد جفت های الکترونی سوراخ در رابط ناهماهنگی نسبت داده شد.
یکی دیگر از ترکیب های محبوب اتصال Tio₂ با CDS است. CDS دارای باند نسبتاً كوچكی (حدود 2.4 ولت) است ، به این معنی كه می تواند طیف وسیع تری از طیف خورشیدی ، از جمله نور مرئی را جذب كند. هنگامی که Tio₂ و CDS همراه هستند ، یک ناهماهنگی نوع II نیز تشکیل می شود. الکترونهای هیجان زده در باند هدایت CD می توانند به باند هدایت Tio₂ منتقل شوند ، و سوراخ های موجود در باند Valence Tio₂ می تواند به باند Valence CDS منتقل شود. با این حال ، لازم به ذکر است که CDS یک ماده سمی است ، بنابراین باید هنگام استفاده از کامپوزیت های CDS-Tio₂ در برنامه هایی که سمیت نگرانی دارد ، مانند تصفیه آب برای آب آشامیدنی ، مراقبت ویژه ای انجام شود.
اصلاح سطح یک روش مهم برای تقویت فعالیت فوتوکاتالیستی Tio₂ است. با اصلاح سطح Tio₂ ، ما می توانیم ظرفیت جذب آن را برای آلاینده ها بهبود بخشیم ، جداسازی جفت های سوراخ الکترون را ترویج کنیم و راندمان استفاده از انرژی نور را افزایش دهیم.
یک روش اصلاح سطح متداول رسوب فلزات نجیب در سطح Tio₂ است. فلزات نجیب مانند پلاتین (PT) ، طلا (AU) و نقره (Ag) دارای خواص الکترونیکی منحصر به فردی هستند که می توانند با Tio₂ در تعامل باشند. هنگامی که مقدار کمی از نانوذرات فلزی نجیب روی سطح Tio₂ قرار می گیرند ، می توانند به عنوان تله های الکترون عمل کنند. به عنوان مثال ، هنگامی که نانوذرات PT روی Tio₂ قرار می گیرند ، الکترون های هیجان زده در باند هدایت Tio₂ به نانوذرات PT جذب می شوند ، که به طور موثری جفت های سوراخ الکترون را از هم جدا می کنند. این جداسازی میزان نوترکیبی را کاهش می دهد و فعالیت فوتوکاتالیستی را افزایش می دهد. در یک مطالعه در مورد تخریب فنل ، TiO₂ با PT به میزان قابل توجهی بالاتر از TIO₂ خالص نشان داد. میزان تخریب در همان شرایط آزمایشی حدود 50 ٪ افزایش یافته است.
یکی دیگر از تکنیک های اصلاح سطح ، عملکردی سطح Tio₂ با مولکول های آلی است. گروه های عملکردی آلی از طریق واکنشهای شیمیایی مختلف می توانند به سطح Tio₂ وصل شوند. این گروه های عملکردی می توانند خواص سطح Tio₂ مانند آبگریز یا آبگریز آن را تغییر دهند. به عنوان مثال ، اگر یک گروه عملکردی آبگریز به سطح Tio₂ وصل شود ، می تواند جذب آلاینده های محلول در آب را بهبود بخشد. علاوه بر این ، برخی از گروه های عملکردی آلی همچنین می توانند به عنوان اهدا کننده الکترونی یا پذیرندگان عمل کنند و روند فوتوکاتالیستی را بیشتر تسهیل می کنند. یک تیم تحقیقاتی گزارش داد که با عملکردی سطح Tio₂ با یک مولکول آلی خاص ، تخریب فوتوکاتالیستی یک آلاینده آلی در فاضلاب در مقایسه با TIO₂ اصلاح نشده حدود 30 ٪ افزایش یافته است.
بافت سطح نیز یک روش اصلاح سطح مناسب است. با ایجاد بافت های در مقیاس میکرو یا نانو در سطح Tio₂ ، می توانیم سطح سطح موجود برای جذب نور و جذب آلاینده را افزایش دهیم. به عنوان مثال ، با ساخت سطوح tio₂ نانو متخلخل ، سطح سطح می تواند به طور قابل توجهی افزایش یابد. این افزایش سطح سطح امکان جذب کارآمدتر نور و جذب آلاینده را فراهم می کند ، در نتیجه باعث افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی می شود. در یک مطالعه در مورد تصفیه هوا ، Tio₂ نانو متخلخل در از بین بردن ترکیبات آلی فرار (VOC) نسبت به سطوح صاف Tio₂ به دلیل افزایش سطح سطح و بهبود جذب نور نشان داد.
نانوساختار tio₂ به مورفولوژی های مختلف مانند نانوذرات ، نانولوله ها و نانوسیم ها تأثیر قابل توجهی در فعالیت فوتوکاتالیستی آن دارند. نانوساختارها نسبت به همتایان فله خود مزایای مختلفی را ارائه می دهند.
اول ، نانوساختارها به طور معمول دارای سطح سطح بسیار بیشتری به حجم هستند. به عنوان مثال ، نانوذرات Tio₂ با قطر 10 نانومتر می توانند دارای نسبت سطح به حجم باشند که چندین مرتبه بزرگتر از آن از فله Tio₂ است. این مساحت افزایش سطح مکان های بیشتری را برای جذب نور ، جذب آلاینده و تولید جفت های سوراخ الکترون فراهم می کند. در یک مطالعه در مورد تخریب رنگهای آلی ، نانوذرات Tio₂ میزان تخریب بسیار سریعتر از Tio₂ فله را نشان دادند. میزان تخریب نانوذرات تقریباً 80 ٪ بیشتر از مواد فله در شرایط آزمایشی مشابه بود.
دوم ، نانوساختارها می توانند خاصیت الکترونیکی منحصر به فرد داشته باشند. به عنوان مثال ، نانولوله های Tio₂ می توانند به دلیل ساختار یک بعدی خود ، جداسازی بار پیشرفته را نشان دهند. شکل لوله ای امکان حمل و نقل کارآمد الکترون ها را در امتداد محور لوله فراهم می کند و میزان نوترکیبی جفت های الکترونی را کاهش می دهد. در یک مطالعه در مورد تصفیه آب ، نانولوله های Tio₂ راندمان بالاتری در تخریب آلاینده های آلی نسبت به نانوذرات Tio₂ کروی نشان دادند. راندمان پیشرفته به جداسازی و حمل و نقل بار بهبود یافته در نانولوله ها نسبت داده شد.
سرانجام ، نانوساختارها را می توان به راحتی در دستگاه ها و سیستم های مختلف ادغام کرد. به عنوان مثال ، از نانوسیم های Tio₂ می توان برای ساخت دستگاه های فوتوکاتالیستی انعطاف پذیر استفاده کرد. این دستگاه های انعطاف پذیر را می توان در مناطقی مانند فناوری پوشیدنی برای تصفیه هوا و آب استفاده کرد. در یک توسعه نمونه اولیه ، یک دستگاه فوتوکاتالیستی مبتنی بر نانوسیم انعطاف پذیر قادر به تخریب آلاینده های آلی در یک محیط پوشیدنی شبیه سازی شده بود و پتانسیل نانوساختار را برای کاربردهای عملی نشان می داد.
علاوه بر اصلاح خود مواد Tio₂ ، بهینه سازی شرایط واکنش نیز می تواند نقش مهمی در تقویت فعالیت فوتوکاتالیستی آن داشته باشد.
یک جنبه مهم کنترل شدت نور و طول موج است. برنامه های مختلف ممکن است برای عملکرد بهینه فوتوکاتالیستی به شدت و طول موج های مختلف نیاز داشته باشد. به عنوان مثال ، در کاربردهای تصفیه آب ، ممکن است شدت خاصی از نور ماوراء بنفش برای تخریب آلاینده های آلی مورد نیاز باشد. با این حال ، اگر شدت نور خیلی زیاد باشد ، ممکن است باعث گرم شدن بیش از حد مواد Tio₂ شود ، که می تواند منجر به کاهش فعالیت فوتوکاتالیستی شود. از طرف دیگر ، اگر شدت نور خیلی کم باشد ، ممکن است میزان تولید جفت های سوراخ الکترون کافی نباشد. بنابراین ، لازم است که شدت نور را با توجه به الزامات خاص برنامه تنظیم کنید.
انتخاب حلال یا متوسط نیز بر فعالیت فوتوکاتالیستی تأثیر می گذارد. در بعضی موارد ، استفاده از یک حلال قطبی مانند آب می تواند جذب آلاینده های قطبی را بر روی سطح Tio₂ تقویت کرده و فرآیند فوتوکاتالیستی را تسهیل کند. با این حال ، برای آلاینده های غیر قطبی ، یک حلال غیر قطبی ممکن است مناسب تر باشد. به عنوان مثال ، در تخریب ترکیبات آلی غیر قطبی در یک جریان زباله روغنی ، با استفاده از یک حلال غیر قطبی مانند هگزان می تواند تعامل بین آلاینده ها و سطح Tio₂ را بهبود بخشد و منجر به یک فرآیند تخریب کارآمدتر شود.
دما عامل دیگری است که باید در نظر گرفته شود. به طور کلی ، افزایش دما می تواند سرعت واکنشهای شیمیایی را تسریع کند. در زمینه فتوکاتالیز Tio₂ ، افزایش متوسط دما می تواند تحرک الکترون ها و سوراخ ها را افزایش داده و باعث کاهش میزان نوترکیبی و افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی شود. با این حال ، اگر درجه حرارت خیلی زیاد باشد ، ممکن است باعث دفع آلاینده های جذب شده از سطح Tio₂ شود یا حتی به خود مواد Tio₂ آسیب برساند. بنابراین ، یافتن محدوده دمای مطلوب برای یک برنامه خاص ضروری است.
به جای تکیه بر یک روش واحد برای تقویت فعالیت فوتوکاتالیستی Tio₂ ، رویکردهای ترکیبی که چندین استراتژی را ترکیب می کنند ، اغلب می توانند به یک اثر تقویت هم افزایی دست یابند.
به عنوان مثال ، ترکیبی از دوپینگ و اصلاح سطح می تواند بسیار مؤثر باشد. با دوپینگ Tio₂ با یک کاتیون فلزی مناسب مانند Fe³⁺ و سپس رسوب نانوذرات فلزی نجیب مانند PT بر روی سطح Tio₂ دوپ شده ، هر دو خاصیت الکترونیکی Tio₂ می توانند برای بهبود جذب نور تغییر کنند و جداسازی جفت های الکترونی با استفاده از نانوذرات فلزی نجیب افزایش می یابد. در یک مطالعه در مورد تخریب یک آلاینده ارگانیک پیچیده ، این رویکرد ترکیبی منجر به تخریب می شود که بیش از دو برابر TIO₂ خالص در همان شرایط آزمایشی بود.
مثال دیگر ترکیب نانوساختار و اتصال با سایر نیمه هادی ها است. اگر نانولوله های Tio₂ ابتدا ساخته شوند و سپس با ZnO همراه شوند تا یک ناهماهنگی ایجاد شود ، خواص الکترونیکی منحصر به فرد نانولوله ها می تواند با اثرات مفید ناهمگونی ترکیب شود. نانولوله ها مساحت بزرگی و جداسازی بار کارآمد را فراهم می کنند ، در حالی که ناهمگونی بیشتر جفت های سوراخ الکترون را از هم جدا می کند و راندمان کلی فوتوکاتالیستی را بهبود می بخشد. در یک مطالعه در مورد تصفیه هوا ، این روش ترکیبی بهبود قابل توجهی در حذف VOC در مقایسه با استفاده از نانولوله ها یا ناهمگونی Zno-Tio₂ به تنهایی نشان داد.
رویکردهای ترکیبی همچنین این مزیت را ارائه می دهد که بتوانید به طور همزمان محدودیت های چندگانه فتوکاتالیز Tio₂ را برطرف کنید. به عنوان مثال ، دوپینگ می تواند مسئله جذب نور محدود را برطرف کند ، اصلاح سطح می تواند جذب آلاینده ها را بهبود بخشد و اتصال با سایر نیمه هادی ها می تواند باعث جداسازی جفت های سوراخ الکترون شود. با ترکیب این استراتژی ها ، می توان پیشرفت جامع تر و مؤثرتری از فعالیت فوتوکاتالیستی Tio₂ را بدست آورد.
در حالی که پیشرفت قابل توجهی در تقویت فعالیت فوتوکاتالیستی Tio₂ حاصل شده است ، اما هنوز هم چندین چالش وجود دارد که باید مورد توجه قرار گیرد.
یکی از مهمترین چالش ها ثبات سیستم های فوتوکاتالیستی پیشرفته است. به عنوان مثال ، در مورد Tio₂ دوپ شده ، با گذشت زمان ، اتم های دوپانت ممکن است از ساختار شبکه خارج شوند و منجر به کاهش فعالیت فوتوکاتالیستی پیشرفته شوند. به طور مشابه ، در کامپوزیت های تشکیل شده با اتصال با سایر نیمه هادی ها ، رابط بین دو نیمه هادی ممکن است با گذشت زمان تخریب شود و بر کارآیی ناهمگونی تأثیر بگذارد. حفظ ثبات طولانی مدت این سیستم های پیشرفته برای کاربردهای عملی آنها بسیار مهم است.
چالش دیگر مقیاس پیشرفت فرآیندهای فوتوکاتالیستی پیشرفته است. بیشتر مطالعات گزارش شده تاکنون در مقیاس آزمایشگاهی انجام شده است. وقتی صحبت از برنامه های در مقیاس صنعتی می شود ، موضوعاتی مانند دوپینگ یکنواخت ، تولید در مقیاس بزرگ نانوساختارها و اصلاح سطح کارآمد در مقیاس بزرگ باید مورد توجه قرار گیرد. به عنوان مثال ، در تولید نانوذرات Tio₂ برای تصفیه آب در مقیاس صنعتی ، اطمینان از اندازه ذرات یکنواخت و فوتوکاتالیستی سازگار
