پایان نامه بررسی خواص ساختاری و فتوکاتالیستی نانوذرات تیتانیای دوپ شده با کاتیون های فلزی
فهرست محتوا
چکیده:
در این تحقیق، مقادیر مختلف از پودر تیتانیای دوپ شده با سریم (با 5-2-1-5/0 درصد مولی Ce) و تیتانیای دوپ شده با قلع (با 15-10-5-1 درصد مولی Sn) آماده شد. همچنین نمونههای مختلف نانوذرات TiO2 با دوپ همزمان Sn و Ce (2-1-5/0 درصد مولی Ce و 10-5-1 درصد مولی Sn) بهروش سنتز ساده سل-ژل با استفاده از نیترات سریم 6 آبه بهعنوان پیشماده سریم، کلرید قلع 2 آبه بهعنوان پیشماده قلع و تیتانیوم بوتوکساید (TBT) بهعنوان پیشماده تیتانیوم تهیه شد. (دمای کلسیناسیون برای نمونهها با دوپ همزمان در محدودهٔ C˚975-475 بودند.)
بررسی و مطالعه خواص ساختاری، فتوکاتالیستی، نوری، عنصری و شیمیایی نمونههای تهیه شده با استفاده از روشهای مختلف مانند DLS، TG-DTA، XRD، FE-SEM، EDX، BET،XPS و FT-IR ارزیابی شد.
نتایج XRD نشان میدهد که اضافه کردن ناخالصی در کریستالیته و اندازه ذرات TiO2 تأثیر زیادی دارد. متوسط اندازه کریستالیت نمونهها با استفاده از فرمول شرر محاسبه شد همچنین پارامترهای سلول واحد تعیین گردید. دوپ قلع در شبکه تیتانیا منجر به تشویق استحاله فازی آناتاز به روتایل گردیده است در حالی که دوپ سریم در شبکه تیتانیا از استحاله فازی آناتاز به روتایل جلوگیری کرده است. مشخص شد که فتوکاتالیست تهیه شده از ذرات کروی شکل تشکیل شده است که اندازه ذرات آن از نمونه بدون دوپنت کوچکتر بود. لبه جذب نوری نانوذرات فتوکاتالیست تیتانیا تهیه شده با دوپ همزمان در محدوده نور مرئی مشاهده شد و توانایی بالایی برای تخریب متیلن بلو تحت تابش نور مرئی از خود نشان دادند. نتایج نشان داد بهترین خواص فتوکاتالیستی نانوپودرها با دوپ همزمان Ce و Sn تحت تابش نور مرئی مربوط به نمونهٔ TSC6 میباشد. همچنین نمونهٔ همراه با دوپ همزمان دارای خواص فتوکاتالیستی بهتری در مقایسه با نمونههای تک دوپنت بود. طیف جذب تیتانیای دوپ شده با Sn و Ce دارای شیفت پیک قابل ملاحظهای بهسمت ناحیه مرئی بود. این امر را میتوان به ایجاد یک تراز جدید در وسط باند ممنوعه TiO2 نسبت داد. علاوه بر این، دوپ سریم میتواند سبب کند شدن فرآیند بازترکیب الکترون و حفره در تیتانیا گردد. باتوجه به بررسی XPS، عنصر Ti عمدتاً بهصورت شیمیایی Ti4+ وجود داشت. Ce بهصورت ترکیبی از حالتهای اکسیداسیون Ce3+ و Ce4+ یافت شد.
فهرست مطالب
- عنوان صفحه
- فصل اول: مقدمه. 1
- 1-1 پیشگفتار 2
- 1-2- تاریخچه فتوکاتالیست.. 2
- 1-3- دلایل تولید فتوکاتالیست جهت کاربرد در امواج مرئی.. 5
- 1-3-1- توانایی فعال شدن با پرتوهای مرئی.. 5
- 1-3-2- پایداری خاصیت فتوکاتالیستی.. 6
- 1-3-3- غیر سمی بودن. 6
- 1-3-4- قیمت مناسب.. 7
- 1-4- هدف از انجام تحقیق.. 7
- فصل دوم: مروری بر منابع مطالعاتی و مبانی نظری.. 9
- 2-1- ویژگیهای نیمهرساناها 10
- 2-1-1- حاملهای بار در نیمهرساناها 10
- 2-1-2- انواع نیمهرساناها 11
- 2-1-2-1- نیمهرساناهای ذاتی.. 11
- 2-1-2-2- نیمهرساناهای غیرذاتی.. 11
- 2-2- خواص یک فتوکاتالیست مناسب.. 12
- 2-2-1- فتوکاتالیستهای بررسی شده 13
- 2-3- تیتانیا 14
- 2-3-1- خواص فیزیکی و شیمیایی دیاکسید تیتانیوم. 15
- 2-3-2- ساختارهای دیاکسید تیتانیوم. 15
- 2-3-3- خاصیت فتوکاتالیستی تیتانیا 18
- 2-4- اصول اولیه فرآیندهای فتوکاتالیستی.. 19
- 2-4-1- تهییج فوتونی از طریق باندگپ.. 20
- 2-4-2- موقعیتهای لبه باند. 22
- 2-4-3- اثرات اندازه کوانتومی.. 24
- 2-4-4- ترکیب مجدد جفتهای الکترون- حفره 24
- 2-4-5- نقش الکترونها و حفرههای تولید شده در اثر پرتوتابی در فتوکاتالیست.. 25
- 2-4-6- اکسیداسیون فتوکاتالیستی ترکیبات آلی.. 26
- 2-5- پارامترهای موثر بر افزایش خاصیت فتوکاتالیستی TiO2 در نور مرئی.. 27
- 2-5-1- شکل و اندازه ذرات.. 28
- 2-5-2- ساختار کریستالی.. 29
- 2-5-3- بمباران یونی.. 30
- 2-5-4- تکنیک های ترکیب.. 31
- 2-5-5- اضافه کردن یونهای غیر فلزی.. 32
- 2-5-6- آلاییدن نیمههادیها با انواع یونهای فلزی.. 33
- 2-6- تاریخچه کاربردهای تیتانیا 36
- 2-7- کاربردهای تیتانیا 37
- 2-7-1- فوتوکاتالیز کردن. 39
- 2-7-1-1- کاربردهای فتوکاتالیستی.. 39
- 2-7-1-1-1 تجزیه نوری آب.. 39
2-7-1-1-2 ضدعفونی.. 40
2-7-1-1-3 تصفیه هوا 40 - 2-7-1-1-4 تصفیه آب.. 41
- 2-8- فرآیند سل- ژل. 42
- 2-8-1- اصول فرآیند سل-ژل. 43
- فصل سوم: فعالیتهای آزمایشگاهی و روش کار. 45
- 3-1- مواد اولیه مورد مصرف و خواص آنها 46
- 3-2- روش سنتز. 47
- 3-3- آمادهسازی سل. 48
- 3-3-1- سل تیتانیا 48
- 3-3-2- سل قلع و سریم. 48
- 3-4- سنتز نانوذرات تیتانیا بههمراه افزودنی.. 49
- 3-5- کد گذاری نمونهها 50
- 3-6- روش های بررسی خواص… 51
- 3-6-1- بررسی خواص فیزیکی سل – تکنیک پراش نوری DLS. 49
- 3-6-2- بررسی استحاله حرارتی.. 52
- 3-6-3- آنالیز سطح ویژه(BET) Adsorption/Desorption Porosimetry. 53
- 3-6-4- بررسی فازهای کریستالی.. 53
- 3-6-5- ارزیابی مورفولوژی و ریزساختار 55
- 3-6-6- طیف سنجی مادون قرمز با تبدیل فوریه. 55
- 3-6-7- طیف نگاری فتوالکترونی پرتو ایکس (XPS) 56
- 3-6-8- بررسی خواص نوری و محاسبهی انرژی پهنای نوار ممنوعه 57
3-6-9- بررسی رفتار فتوکاتالیستی.. 58 - 3-6-9-1- متیلن بلو. 58
- 3-6-9-2 نحوه انجام آزمایش فتوکاتالیستی.. 61
- فصل چهارم: نتایج و بحث.. 62
- 4-1- نتایج حاصل از تهیه سل. 63
- 4-2- نتایج آنالیز TG-DTA.. 65
- 4-3- نتایج اثر افزودنی بر خواص نانوذرات تیتانیا 67
- 4-3-1- نتایج و تحلیل آنالیز فازی نانو ذرات T-x mol% Ce. 67
- 4-3-2- نتایج و تحلیل آنالیز فازی نانو ذرات T-x mol% Sn. 70
- 4-3-3- نتایج و تحلیل آنالیز فازی نانو ذرات y mol%Ce- x mol%Sn T- 72
- 4-3-4- نتایج و تحلیل آنالیز UV-Vis 75
- 4-3-5- بررسی تاثیر دمای کلسیناسیون بر فازهای کریستالی.. 76
- 4-3-6- بررسی تاثیر دمای کلسیناسیون روی خواص فتوکاتالیستی.. 79
- 4-3-7- اثر زمان کلسیناسیون بر فازهای کریستالی.. 80
- 4-3-8- بررسی طیف UV-Vis و محاسبه باند ممنوعه. 81
- 4-3-9- اثر زمان تابش بر بازده تجزیه فتوکاتالیستی.. 87
- 4-3-10- تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی.. 89
- 4-3-11- نتایج حاصل از آنالیز عنصری EDX.. 91
- 4-3-12- نتایج و تحلیل آنالیز سطحی XPS. 91
- 4-3-13- نتایج و تحلیل آنالیز BET. 97
- 4-3-14- نتایج و تفیسر طیفهای FT-IR. 98
فصل پنجم: نتیجهگیری نهایی و پیشنهادها 101 - 5-1- نتیجهگیری نهایی.. 102
- 5-2- پیشنهادات و کارهای آینده 103
- مراجع. 104
فصل اول
مقدمه
1-1 پیشگفتار
افزایش روز افزون آلایندههای گازی و آبی در سالهای اخیر، منجر به توسعهٔ 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 میشود. 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 نهایتاً 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
میتوان 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 مجدداً 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 کاملاً 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.
1-3 دلایل تولید فتوکاتالیست جهت کاربرد در امواج مرئی
آلودگی محیط زیست در مقیاس جهانی دانشمندان را با مشکلات جدی در قرن بیست و یکم مواجه خواهد کرد در نتیجه تعداد زیادی از دانشمندان به دنبال یک فتوکاتالیست ایدهآل برای رفع این مشکل هستند. فرآیند فتوکاتالیست تغییر نخواهد کرد بلکه نسل جدیدی از فتوکاتالیستها که بتوانند از نور مرئی خورشید بهجای امواج محدود فرابنفش استفاده کنند باید تولید گردند. با نگاهی اجمالی به مقالات و کتب و کنفرانسها و کاربردهای ارائه شده به بازار میتوان دریافت، این پدیده موضوع تحقیقات علمی در چندین دهه گذشته بوده است.
فتوکاتالیست مورد کاربرد در امواج مرئی در سراسر جهان در حال بررسی است و بررسیهای گروههای تحقیقاتی از کشورهای مختلفی چون ژاپن، چین، فرانسه، کره جنوبی، ایالات متحده امریکا، انگلستان، آلمان، کانادا، ایتالیا، تایوان از میان بقیه حائز اهمیتتر است. اگرچه موفقیت این نوع فتوکاتالیست محدود بوده است اما کاربرد فوری و بلند مدت آن، این بحث را حائز اهمیت نگه داشته است. در ذیل این ویژگیها بررسی میشود.
1-3-1 توانایی فعال شدن با پرتوهای مرئی
محدوده نور مرئی در امواج الکترومغناطیس از طول موج حدود 400 نانومتر شروع و به 700 نانومتر ختم
میگردد. برای کاربردهای خورشیدی حتی اکسید تیتانیوم خالص بازده چندانی ندارد زیرا تنها (%5-5/3) نور خورشید حاوی امواج فرابنفش با طول موجی بین 300 الی 380 نانومتر است. اگر باند ممنوعه اکسید تیتانیوم یا هر فتوکاتالیست دیگری را بتوان کاهش داد فوتونهایی با انرژی کمتر و طول موج بلندتر توسط فتوکاتالیست قابل جذب هستند. محدودیتهای تئوری باتوجه به ترازهای ردوکس موجود وجود دارد. و اینکه انرژی را تا
چه حد میتوان کاهش داد مادامیکه بازده فتوکاتالیست کاهش نیابد. برای مثال باند والانس نیمههادیهای فتوکاتالیست باید انرژی کافی برای تحریک واکنش اکسیداسیون برای تولید رادیکالهای آزاد را داشته باشد. اگر باند ممنوعه از مقدار تعیین شدهای کمتر باشد انرژی مورد نیاز واکنش فتوکاتالیست تأمین نخواهد شد، اگرچه نیمههادی مذکور دارای خاصیت جذب نور مرئی باشد. نتیجه اینکه باند ممنوعه یک فتوکاتالیست ایدهآل دارای یک حد بحرانی است که برای از دست ندادن بازده فرآیند فتوکاتالیست نباید از این حد پایینتر رفت.
1-3-2 پایداری خاصیت فتوکاتالیستی
پایداری یک فاکتور بحرانی در واکنشهای فتوکاتالیست است. بهعنوان مثال نیمههادی حاوی سولفید فلزات اگرچه باند ممنوعه کوچکی دارد اما با توجه به موقعیت باند والانسشان در خطر خوردگی فوتوآندیک هستند. در نتیجه عمر فتوکاتالیستی این نیمههادیها بسیار پایین است. البته عمر دقیق آنها به محیط واکنش نیز مرتبط است. دیگر کاتالیستها از قبیل اکسید روی فتوکاتالیست مناسبی برای کاربردهای نورهای فرابنفش هستند اما این فتوکاتالیستها نیز در محیط آبی دچار خوردگی فوتوآندی میگردند که این امر موجب عدم گسترش آنها گشته است. یک فتوکاتالیست ایدهآل باید بهصورت فوتوشیمیایی پایدار باشد یعنی در تمام محیطهای واکنش در برابر خوردگی مقاوم باشد.
1-3-3 غیر سمی بودن
از آنجایی که در اصل تمام واکنشهای فوتوکاتالیک به قسمی به سیستمهای تصفیه زیست محیطی (آب، هوا و غیره) منتج میشوند استفاده از مواد سرطان زا در این سیستمها بیفایده و غیر منطقی است. بزرگترین مشکل در سمی بودن مواد فتوکاتالیست در مورد نیمههادیهای فعال شونده با نور مرئی، سولفید کادمیم است که سرطانزا، محرک و جهشزا (ژنتیک) معرفی گردیده است. اگرچه سولفید کادمیم به علت زمان کوتاه ترکیب الکترون و حفره مناسب به نظر نمیرسد اما به دلیل داشتن انرژی باند ممنوعه مناسب 5/2 الکترون ولت توانایی جذب امواجی با طول موج مرئی را داراست. علاوه بر آن این انرژی به قدر کافی بزرگ میباشد تا از خوردگی این فتوکاتالیست جلوگیری کند. اما اکسید تیتانیوم بهدلیل زیست سازگاری جایگاه بهتری بهعنوان فتوکاتالیست پیدا کرده است. این اکسید در کاربردهایی که بهصورت مستقیم و غیر مستقیم با انسان سرو کار داشتهاند بدون گزارش هیچگونه خطر و عوارضی مورد استفاده قرار گرفته است.
1-3-4 قیمت مناسب
قیمت فتوکاتالیست یک فاکتور مهم در تعیین کارایی و کاربردهای آن میباشد. بهعنوان مثال آیا از آن به عنوان پوشش لامپ برای تصفیه مستقیم هوا میتوان استفاده کرد و یا در مقیاس بزرگتر در یک پایگاه تصفیه آب میتوان از آن بهره برد؟
بهترین فتوکاتالیست مورد استفاده در امواج مرئی در حال حاضر اکسید تیتانیوم دوپ شده با یون فلزات است. عملیات دوپ کردن یونها که جهت انتقال پیک جذب تیتانیوم به سمت امواج مرئی انجام میگیرد دومین انقلاب در زمینه فتوکاتالیست بود که توسط دانشمندی که در این زمینه تحقیق میکردند به وجود آمد. دومین انقلاب فتوکاتالیست بدون هزینه نبود. عملیات دوپ کردن یونها باتوجه به نوع و اندازه عملیات مبلغی بالغ بر 500000 دلار هزینه در برداشت.
1-4 هدف از انجام تحقیق
متاسفانه، TiO2 با نوار ممنوعه انرژی بالا، در حدود eV 2/3 تنها تحت نور ماوراءبنفش که سهم کوچکی
(در حدود%8)، را از انرژی خورشیدی دارد، فعال میشود. بنابراین تولید فتوکاتالیستی مؤثر از تیتانیا با فعالیت فتوکاتالیستی وسیعتر تا محدوده نور مرئی بسیار مورد توجه میباشد. بسیاری از فعالیتهای تحقیقاتی انجام شده، تلاش بر افزودن دوپنتها در شبکه تیتانیا بوده است. هدف از پژوهش حاضر تولید چنین فتوکاتالیستی است تا بدین ترتیب بتوان از انرژی خورشیدی ارزان و در دسترس بهمنظور از بین بردن آلایندههای زیست محیطی بهره برد.
پایاننامه حاضر شامل پنج فصل میباشد و با عنوانهای ذیل ارائه شده است. پس از مقدمهای کوتاه در مورد فتوکاتالیست، بهویژه فتوکاتالیست ناحیه مرئی و هدف از انجام پروژه، در فصل دوم بهصورت جامعتر به مبانی نظری نیمههادیها، فتوکاتالیستها و منحصراً ویژگیهای تیتانیا بهعنوان یک فتوکاتالیست مناسب و روشهای بهبود خواص فتوکاتالیستی این نیمههادی پرداخته شده است و در ضمن مباحث فوق، تاریخچه پژوهش سایر محققیق ذکر شده است. در فصل سوم با مواد، تجهیزات و روش بهکار رفته در این تحقیق آشنا شده و دلایل انجام این پروژه نیز ارائه شده است. در ادامه، در فصل چهارم دادههای حاصل از آزمونها ارائه شده و نتایج
بهدست آمده مورد بحث و تحلیل قرار گرفته است. در این فصل سعی شده است که تأثیر کاتیونهای Sn4+
و Ce3+/4+ بر خواص ساختاری، فتوکاتالیستی، نوری، خواص سطحی بحث و بررسی شود. در نهایت در فصل پنجم جمعبندی کلی نتایج و پیشنهادها ارائه شده است.
- Abstract:
- In this research, Different amounts of Ce-doped TiO2 (with 0.5-1-2-5 mol% Ce) and Sn-doped TiO2 (with 1-5-10-15 mol% Sn) powders were prepared. Also different samples of Ce and Sn codoped TiO2 (0.5-1-2 mol% Ce & 1-5-10 mol% Sn) nanoparticles were prepared through simple sol−gel synthesis method by using cerium nitrate hexahydrate as cerium precursor, Tin(II) chloride dihydrate, and titanium(IV) butoxide (TBT) as titanium precursor. (temperatures were in the range of 475- 975 °C for co-doped samles). Characterization of prepared samples for investigate structunal, photo-catalytic, optical, elemental and chemical properties were done by various techniques such as, DLS, TG–DTA, XRD,
FE-SEM, EDX BET, XPS and FT-IR. - XRD results show that adding impurities has a great effect on the crystallinity and particle size of TiO2. The average crystallite size of all samples was calculated using Scherrer’s formula and the unit cell parameters are determined. Sn doped in TiO2 lattice promoted the phase transformation of Anatase to Rutile, while Ce doped in TiO2 lattice inhibited the phase transformation of Anatase to Rutile.
It was found that the as-prepared photocatalyst was composed of spheroidal particles, which were smaller than undoped ones. The prepared co-doped TiO2
photo-catalyst nanoparticles showed optical absorption edge in the visible light area and exhibited excellent photo-catalytic ability for degradation of methylene blue (MB) solution under solar irradiation. Results showed that best photocatalytic properties of nanopowders under sun light irradiation for Sn, Ce-codoped TiO2 was related to T-5%Sn-2%Ce. Co-doped Sn and Ce in titania nanostructured had a best photocatalytic properties compring to single doped. The absorbance spectrum of Ce, Sn-codoped TiO2 exhibited significant red-shift to visible region. It can be ascribed to appearance of a new electronic state in the middle of the TiO2
band-gap. Furthermore, cerium doping could slow the radiative recombination process of photogenerated electrons and holes in TiO2. According to XPS investigation, the Ti element mainly existed as the chemical state of Ti4+, and Cerium is found to be present as a mixture of Ce3+/4+ oxidation states.
Key words: sol-gel, TiO2 nanopowders, SnO2, Ce2O3, Photo-catalytic activity, Optical properties.
نقد و بررسیها
هنوز بررسیای ثبت نشده است.