1
ستاد ویژه توسعه فناوری نانو Iran Nanotechnology Initiative Council بستن
  • ستاد ویژه توسعه فناوری نانو

  • بانک اطلاعات شاخص های فناوری نانو

  • سایت جشنواره فناوری نانو

  • سیستم جامع آموزش فناوری نانو

  • شبکه آزمایشگاهی فناوری نانو

  • موسسه خدمات فناوری تا بازار

  • کمیته استانداردسازی فناوری نانو

  • پایگاه اشتغال فناوری نانو

  • کمیته نانو فناوری وزارت بهداشت

  • جشنواره برترین ها

  • مجمع بین المللی اقتصاد نانو

  • اکو نانو

  • پایگاه اطلاع رسانی محصولات فناوری نانو ایران

  • شبکه ایمنی نانو

  • همایش ایمنی در نانو

  • گالری چند رسانه ای نانو

  • تجهیزات فناوری نانو

  • صنعت و بازار

  • باشگاه نانو

آزمایش های آموزشی ساده و ایمن: بررسی خاصیت فوتوکاتالیستی نانوذرات TiO2

افراد مقاله : ‌ مترجم - حامد اسکندرلو , مترجم - علیرضا بدیعی , مترجم - فرنوش توکلی

موضوع : آموزش و ترویج کلمات کلیدی : محیط زیست - دی اکسید تیتانیوم TiO2 - فوتو کاتالیست - رنگ - آموزش فناوری نانو تاریخ مقاله : 1395/01/22 تعداد بازدید : 2567

در دهه ی گذشته، علم نانوذرات نیمه‌رسانا یکی از پیشرفته ترین زمینه های پژوهشی در علوم شیمی و فیزیک بوده است. توجه و علاقه به این ذرات کوچک نیمه‌رسانا از ویژگی های منحصربه‌فرد فیزیکی و فوتوکاتالیزوری آن ها نشأت می گیرد. در این مقاله فرآیند فوتوکاتالیز هتروژن در حضور نانوذرات TiO2 و کاربرد زیست‌محیطی آن در حذف رنگ از محیط آبی، در قالب آزمایش های ساده و ایمن نشان داده شده است. برای ایمن بودن آزمایش ها، از تخریب فوتوکاتالیزوری آب میوه هایی نظیر انار و پرتقال به جای آلاینده‌های آلی و از چراغ مطالعه به عنوان منبع تابش نور مرئی مورد استفاده شد و نقش تابش نور در فرآیندهای فوتوکاتالیزوری مورد بررسی قرار گرفت. همچنین برای درک بهتر نقش گونه های فعال در فرآیندهای فوتوکاتالیزوری، تأثیر حضور نمک به عنوان گیرندهی رادیکال های هیدروکسیل مورد مطالعه قرار گرفت.

 

1- مقدمه

 در سال‌های اخیر فرآیند فوتوکاتالیز هتروژن به عنوان یک تکنیک با کاربردهای زیاد، از قبیل اکسایش آلاینده‌های آلی، ضدعفونی کردن آب، استرلیزه کردن ابزار‌های جراحی، تهیه شیشه‌های خودتمیزشونده و تبدیل آب به گاز هیدروژن مورد توجه قرار گرفته است. اساس فرآیندهای فوتوکاتالیز هتروژن، تابش دهی یک فوتوکاتالیزور نیمه‌رسانا با نور ماورای بنفش یا مرئی است. از میان فوتوکاتالیزورهای نیمه‌رسانا تیتانیوم دی اکسید (TiO2) برای کاربردهای زیست‌محیطی بسیار مناسب است، زیرا از نظر بیولوژیکی و شیمیایی غیرفعال بوده، در برابر خوردگی شیمیایی و فوتو‌شیمیایی پایدار است، نامحلول در آب و یا فوق‌العاده کم محلول بوده و ارزان قیمت است. زمانی‌که این فوتوکاتالیزورهای نیمه‌رسانا، فوتونی با انرژی معادل و یا بیشتر از انرژی شکاف جذب می‌کنند، یک الکترون از نوار ظرفیت به نوار هدایت برانگیخته می‌شود و یک حفره‌ی مثبت در نوار ظرفیت به جای می‌ماند (معادله 1).

TiO2 + hν → e− + h+ (1)

 شکل 1، تصویر شماتیک از واکنش‌های انجام گرفته روی سطح ذرات TiO2 در اثر تابش نور را نشان می‌دهد. جفت الکترون−حفره تولید شده یا می‌تواند مجددا ترکیب شده و گرما تولید کند و یا واکنش‌های انتقال الکترون را با سایر گونه‌های موجود در محلول انجام دهد. اگر در محلول، اکسیژن به مقدار کافی موجود باشد، الکترون‌های موجود در نوار هدایت به‌وسیله‌ی‌ این اکسیژن‌ها به تله می‌افتند و یون رادیکال سوپراکسید را تولید می‌کنند (معادله 2).

TiO2 (e−) + O2 → TiO2 + O2•− (2)

در حالی‌که حفرات باقی‌مانده قادر به اکسیداسیون مولکول‌های آب و یون‌های هیدروکسید جذب سطحی شده به رادیکال‌های هیدروکسیل هستند (معادله‌های 3 و 4).

TiO2 (h+) + H2Oads → TiO2 + HO•ads + H+ (3)

TiO2 (h+) + HO−ads → TiO2 + HO•ads (4)

 در مرحله بعد آلاینده‌های آلی جذب شده روی سطح ذرات TiO2 به‌وسیله‌ی رادیکال‌های هیدروکسیل تخریب می‌شوند.

نانوذرات نیمه‌رسانا دارای خواص فوتوکاتالیزوری بی‌نظیری هستند. پهنای شکاف ذرات نیمه‌رسانا با کاهش اندازه ذره وسیع‌تر شده که سبب کاهش طول موج جذبی آن‌ها می‌شود. افزایش انرژی شکاف ذره نیمه‌رسانا سبب می‌شود که پتانسیل نوار هدایت به پتانسیل‌های بالاتر و پتانسیل نوار ظرفیت به پتانسیل‌های پایین‌تر جابه‌جا شده و در نتیجه پتانسیل ردوکس حفره‌‌های نوار ظرفیت و الکترون‌های نوار هدایت با کاهش اندازه ذره متحول شود. از طرف دیگر، با کاهش اندازه ذرات نیمه‌رسانا، مساحت سطح ذرات به ازای واحد حجم افزایش یافته که تأثیر بسزایی در افزایش فعالیت فوتوکاتالیزوری خواهد داشت. البته لازم به ذکر است که در کنار افزایش فعالیت فوتوکاتالیزورها با کاهش اندازه ذره، این نانوذرات برای فعال شدن نیاز به طول موج کمتری دارند که این مساله امکان استفاده از منابع پلی‌ کروماتیک را در این فرآیندها کاهش می‌دهد.

 هدف از این کار، نشان دادن حذف فوتوکاتالیزوری رنگ‌ها از محیط آبی در حضور نانوذرات TiO2 در قالب یک کار آموزشی برای دانش آموزان مقطع دبیرستان، دانشجویان سال اول مقطع کارشناسی و همچنین برای آگاهی عموم است. آزمایش‌های طراحی شده عینی، ایمن و ساده بوده و به آسانی در مدت زمان 2 تا 3 ساعت به‌وسیله‌ی یک گروه دو نفره انجام می‌شود. به منظور ایمن بودن آزمایش‌ها و همچنین دسترسی آسان به مواد مورد نیاز، به جای آلاینده‌های آلی (از قبیل رنگ‌های نساجی و ترکیبات فنلی) از آب میوه‌های طبیعی در آزمایش‌ها استفاده شد. همچنین در آزمایش‌های طراحی شده به جای استفاده از لامپ‌های ماورای بنفش که به عنوان منابع تابش متداول در مطالعات فوتوکاتالیزوری مطرح هستند، از یک چراغ مطالعه به عنوان منبع تابش نور مرئی استفاده شد، زیرا نور ماورای بنفش باعث آسیب به پوست و چشم‌ها می‌شود. همچنین در این کار، از طریق انجام یک سری واکنش‌های کنترلی، نقش تابش نور و رادیکال‌های هیدروکسیل در کارایی فرآیند فوتوکاتالیزوری مورد بررسی قرار گرفت.

 

2- خطرات آزمایش

ممکن است ذرات TiO2 موجب تحریک پوست، چشم‌ها و دستگاه تنفسی شوند. توجه داشته باشید که در حین توزین نانوذرات TiO2 از ماسک، دستکش و عینک استفاده شود.

 

3- مواد و روش‌ها

 حذف رنگ آب میوه‌های انار و پرتقال به‌ عنوان رنگدانه‌های طبیعی تحت تابش نور مرئی با بکارگیری یک چراغ مطالعه و در حضور فوتوکاتالیزور TiO2 (نانوذراتTiO2−P25، شامل 80% فاز آناتاز و 20% روتایل با مساحت سطح 50 m2 g−1 و اندازه ذرات nm 21 محصول شرکت Degussa) انجام شد. توجه شود که انواع مختلفی از فوتوکاتالیزورها از قبیل ZnO، ZnS، CdS، Fe2O3، WO3، ZrO2، CeO2 و... می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند، هرچند زمان واکنش تحت تأثیر طبیعت و ویژگی‌های ساختاری فوتوکاتالیزور مورد استفاده است. شکل 2، تصویر راه‌اندازی سیستم فوتوکاتالیزوری برای حذف رنگ آب میوه‌ها را نشان می‌دهد که از یک چراغ مطالعه با یک لامپ رشته‌ای W100، یک همزن مغناطیسی و یک بشر ml500 حاوی محلول آزمایشی تشکیل شده است. در هر تست فوتوکاتالیزوری، mg500 نانوذرات TiO2، ml80 آب مقطر و ml20 آب میوه به داخل بشر انتقال داده شده و با همزن مغناطیسی هم زده شدند. باید توجه کرد که آب میوه‌ها کاملا همگن باشند. همچنین باید دقت شود که از اسپری شدن محلول روی لامپ در هنگام هم‌زدن جلوگیری شود. واکنش فوتوکاتالیزوری با روشن کردن منبع تابش شروع شد. در فواصل زمانی مشخص از تابش نور (1 تا 2 ساعت) ، نمونه‌برداری از بشر حاوی محلول آزمایشی انجام گرفت. فرآیند تخریب فوتوکاتالیزوری به راحتی از طریق تغییر رنگ محلول آب میوه‌ها قابل مشاهده بود. هرچند، جهت مشاهده‌ی بهتر تغییرات رنگ می‌توان بعد از نمونه‌برداری، از سانتریفیوژ برای جدا کردن نانوذرات TiO2 از محلول استفاده کرد.

 

4- مشاهدات

 شکل 3، تأثیر فرآیند فوتوکاتالیزوری در حذف رنگ محلول‌های آب میوه را بعد از 1 تا 2 ساعت تابش دهی نشان می‌دهد. مشاهده می‌شود که آب میوه‌های انار و پرتغال بعد از2 ساعت تابش دهی به طور کامل بی‌رنگ می‌شوند.

 برای اطمینان از تأثیر تابش نور بر فرآیند فوتوکاتالیزوری و متعاقباً تغییر رنگ آب میوه‌ها، نانوذرات TiO2 و محلول آب میوه‌ها در تاریکی ‌هم‌زده شدند. در پایان هیچ تغییر رنگی از محلول آب میوه‌ها در تاریکی مشاهده نشد (شکل 4). بنابراین، تغییر رنگ محلول آب میوه‌ها از حضور فوتوکاتالیزور TiO2 و تابش نور ناشی می‌شود.

به‌طوری که قبلا اشاره شد، در فرآیند‌های فوتوکاتالیز هتروژن، رادیکال‌های آزاد، به‌ویژه رادیکال‌های هیدروکسیل، مسئول تخریب ترکیبات آلی هستند. جهت اطمینان از نقش رادیکال‌های هیدروکسیل در فرآیند فوتوکاتالیزوری، محلول آب میوه‌ها به همراه نمک (NaCl، 1 g L−1) به داخل بشر آزمایشی انتقال داده شده و تحت تابش نور و هم‌زدن قرار گرفتند. NaCl به عنوان یک گیرنده خوب رادیکال‌های هیدروکسیل شناخته شد. واکنش کنترل، تغییر رنگ ناچیزی را برای محلول آب میوه‌ها در حضور نمک نشان داد.

 

5- بحث

 رنگ آب میوه‌ها از رنگدانه‌های طبیعی (مواد شیمیایی گیاهی[i]) ناشی می‌شود. رنگدانه‌ی اصلی آب میوه‌های انار و پرتقال به ترتیب آنتوسیانین[ii] و بتا‌کریپتوکسانتین[iii] هستند. احتمالا بی‌رنگ شدن آب میوه‌های انار و پرتقال در طی فرآیند تخریب فوتوکاتالیزوری (شکل 3) ، می‌تواند مربوط به اکسایش این رنگدانه‌ها به محصولات بی‌رنگ به‌وسیله‌ی رادیکال‌های هیدروکسیل باشد. رادیکال‌های هیدروکسیل اکسنده‌های بسیار قوی هستند که قادر به تخریب اغلب ترکیبات آلی در سطح کاتالیزور یا در نزدیکی سطح کاتالیزور هستند. حدواسط‌های تولید شده با رادیکال‌های هیدروکسیل واکنش داده و محصولات نهایی را تولید می‌کنند (معادله 5). گزارش شده است که تحت شرایط مطلوب، محصولات نهایی فرآیندهای تخریب فوتوکاتالیزوری شامل CO2، H2O و اسید‌های آلیفاتیک با وزن مولکولی کم هستند.

•OHads + Organic compounds → Intermediates → Products (5)

 از آنجا‌که سازوکار تخریب فوتوکاتالیزوری رنگدانه‌های آنتوسیانین و بتا‌کریپتوکسانتین بسیار پیچیده است، برای درک بهتر سازوکار فرآیند تخریب فوتوکاتالیزوری، یک سازوکار ساده از تخریب ترکیب اسید اورانژ 7[iv] (به عنوان یک نمونه مدل) به‌وسیله‌ی TiO2، در شکل 1 نشان داده شده است. اسید اورانژ 7 یک نمونه از آلاینده‌های رنگی آلی از صنعت نساجی است.

 تابش نور، فوتون‌های مورد نیاز برای انتقال الکترون از نوار ظرفیت (VB) به نوار هدایت (CB) یک ترکیب نیمه‌رسانا را فراهم می‌کند. از مقایسه نتایج به دست آمده در شکل‌های 3 و 4، نقش کلیدی نور در فرآیند فوتوکاتالیز هتروژن مشخص می‌شود. همچنین، باید به این نکته توجه داشت که میزان تخریب فوتوکاتالیزوری تحت تأثیر شدت تابش نور (فاصله بین محلول آزمایشی و منبع تابش) نیز است.

 از سوی دیگر، کارایی فرآیند‌های فوتوکاتالیزوری تا حد زیادی به میزان تولید رادیکال‌های هیدروکسیل وابسته است. همان‌طور که در شکل 5 دیده می‌شود، در حضور NaCl میزان حذف رنگ کاهش یافته است. این رفتار می‌تواند مربوط به این واقعیت باشد که یون‌های Cl− در محیط واکنشی به عنوان گیرنده‌های حفرات مثبت و رادیکال‌های هیدروکسیل عمل کرده و باعث کاهش کارایی فرآیندهای فوتوکاتالیزوری می‌شوند. یون‌های Cl− با حفره‌های مثبت در نوار ظرفیت فوتوکاتالیزور (h+) و رادیکال‌های هیدروکسیل تولید شده در محیط واکنش داده و گونه‌های کمتر فعال را تشکیل می‌دهند (معادله‌های 6 و 7). بنابراین می‌توان نتیجه گرفت که کارایی تخریب در فرآیندهای فوتوکاتالیز هتروژن از طریق غلظت بالای رادیکال‌های هیدروکسیل تأمین می‌شود.

Cl− + •OH → Cl• + OH− (6)

Cl− + h+ → Cl• (7)

 

منبع

H. Eskandarloo, A. Badiei, A.R. Tavakoli, M.A. Behnajady, G.M. Ziarani, “Simple and safe educational experiments for demonstration of environmental application of heterogeneous photocatalysis process using the example of natural fruit juice dye degradation”, J. Mater. Educ. 36 (2014) 111–116.

 

مقالات آموزشی مرتبط