برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۹/۱۰/۲۷ تا ۱۳۹۹/۱۱/۰۳

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

ضمائم مقاله
مقالات مرتبط
اخبار مرتبط
آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۱,۵۴۲
  • بازدید این ماه ۶۵
  • بازدید امروز ۲
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۲۹۹
  • قبول شدگان ۲۶۱
  • شرکت کنندگان یکتا ۱۴۱
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۲
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

پیشرفته 1

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

‌کاربرد کاتالیزورهای نوری (2)

در سطح کاتالیزور نوری مثل تیتانیوم دی‌اکسید، دو نوع واکنش شیمیایی نوری قابل انجام است: اولین واکنش شامل واکنش‌های اکسایش- کاهش القا شده نوری و دومی آب‌دوستی القا شده نوری در خود سطح تیتانیوم دی‌اکسید است. ترکیب این دو واکنش، مسبب کشف کابردهای زیادی به‌ویژه در زمینه مصالح ساختمانی شده‌ است. با تابش اشعه ماوراءبنفش به سطح پوشیده شده با تیتانیوم دی‌اکسید، آب‌دوستی القا شده نوری ایجاد می‌شود که از شکل‌گیری قطره‌های آب جلوگیری می‌کند. خصلت فوق آب‌دوستی باعث می‌شود که آب به‌طور کامل روی سطح پخش شود و زیر آلودگی‌ها نفوذ کند. خودتمیزشوندگی و ضدمه‌گرفتگی از خصوصیات سطوح فوق آب‌دوست است. در ادامه معرفی کاربردهای کاتالیزورهای نوری به کاربردهای مبتنی بر خاصیت فوق آب‌دوستی و همچنین کاربردهای جدید این کاتالیزورها اشاره خواهد شد.

1- فوق آب‌دوست شدن القا شده نوری
خاصیت فوق آب‌دوستی تیتانیوم دی‌اکسید در سال 1995 به‌طور اتفاقی کشف شد. قابلیت خیس شدن سطح با زاویه تماس آب و سطح سنجیده می‌شود [1]. هرچه زاویه کمتر شود، چسبندگی آب به سطح بیشتر بوده و به اصطلاح سطح آب‎دوست‌تر است [2]. بعد از تابش بر کاتالیزور نوری، زاویه تماس کاتالیزور با آب به‌تدریج کاهش می‌یابد تا این‌که سطح خاصیت فوق آب‌دوستی پیدا می‌کند. حفره‌های ایجاد شده پیوند تیتانیوم- اکسیژن را سست می‌کنند و اکسیژن آزاد می‌شود. در مجاورت آب، در محل‌های خالی ایجاد شده گروه‌های هیدروکسی قرار می‌گیرند. افزایش گروه‌های هیدروکسیل منجر به جذب هرچه بیشتر مولکول‌های آب و ایجاد پیوند هیدروژنی بین آن‌ها می‌شود و در نتیجه آب به آسانی و به‌صورت یکنواخت روی سطح پخش می‌شود (شکل 1) [3]. چنین سطحی نمی‌تواند آب را دفع کند و آب روی سطح قطره تشکیل نمی‌دهد، بلکه یک لایه یکنواخت از آب روی سطح ایجاد می‌شود (شکل 2) [1]. خاصیت فوق آب‌دوستی سبب خاصیت خود تمیزشوندگی و ضد بخار بودن سطوح پوشیده شده با تیتانیوم دی‌اکسید می‌شود که در سال 1998 توسط وانگ معرفی شد [3].

filereader.php?p1=main_99c7c144b997cc7cf
شکل 1- ایجاد سطح فوق آب‌دوست

filereader.php?p1=main_7673b9098fbf9f8de
شکل 2- خاصیت آب‌دوستی سطح تیتانیوم دی‌اکسید و تشکیل لایه یکنواخت آب (عدم تشکیل قطره)

عنوان : خود تمییز کننده گی سطح

توضیحات : با استفاده از فنانوری نانو، پارچه هایی با خاصیت فوق آیگریز ایجاد می شوند. آبگریزی در پارچه باعث دفع آب و خود تمییز شوندگی می شود، به این صورت که آلودگی ها به را حتی با آب تنها از پارچه شسته می شوند.

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه ای 1:خود تمییزشوندگی سطح

1-1- خاصیت خود تمیزشوندگی
نمای خارجی ساختمان‌ها در اثر آلودگی‌های حاصل از گرد و غبار و یا دود خودروها زیبایی خود را از دست می‌دهند. روش‌های مرسوم تمیز کردن در این موارد مستلزم مصرف مواد شیمیایی، وقت، انرژی و هزینه بسیار است [4]. مواد پوشیده شده با کاتالیزورهای نوری در معرض نور و رطوبت، عملکرد خود تمیزشوندگی نشان می‌دهند. اولین محصول تجاری که از این اثر بهره گرفت، شیشه‌های پوشاننده لامپ‌های تونل بود. مواد حاصل از دود اگزوز خودروها، از شدت نور لامپ‌های تونل می‌کاهند. در تونل از لامپ سدیم استفاده می‌شود، که اشعه فرابنفش نیز ساطع می‌کند و اگر شیشه لامپ با تیتانیوم دی‌اکسید پوشیده شود، خصلت خود تمیزشوندگی ایجاد می‌شود (شکل 3)[1].
استفاده از سیمان‌های شامل تیتانیوم دی‌اکسید از سال 1980 در ایتالیا آغاز شد [5و4]. سطوح پوشیده شده با تیتانیوم دی‌اکسید چون قطبی هستند با مولکول‌های آلودگی که معمولاً غیرقطبی هستند، پیوند ضعیف برقرار می‌کند. درنتیجه چسبندگی آلودگی‌ها به این سطوح کم است و به همین دلیل سطوح پوشیده شده با کاتالیزور نوری کمتر آلوده می‌شوند. از طرفی تیتانیوم دی‌اکسید فعال شده توسط نور، در حضور اکسیژن و کمی رطوبت، رادیکال‌هایی تولید می‌کنند که قادر هستند ترکیب‌های آلی را به مواد معدنی با چسبندگی کمتر تبدیل کنند. همچنین به‌خاطر خاصیت فوق آب‌دوستی این سطوح، آب یک لایه هموار تشکیل می‌دهد که زیر آلودگی‌ها نفوذ می‌کند و به‌سهولت آن‌ها را از روی سطح جابه‌جا و حذف می‌کند [2]. هرگاه مصالح پوشیده شده با تیتانیوم دی‌اکسید در بیرون از ساختمان که در معرض باران است، قرار گیرند، آلودگی‌های آلی تجزیه شده و ذرات معدنی باقی‌مانده به آسانی توسط باران شسته می‌شوند، بنابراین نمای خارجی تمیز می‌‌‌ شود (شکل 4)[6]. استفاده از مصالح کاتالیزور نوری در مکان‌هایی که تمیز کردن دشوار است، بسیار مرسوم شده است. از جمله کاربردهای مصالح و مواد کاتالیزور نوری می‌توان به موارد زیر اشاره کرد [7]:

> نمای خارجی ساختمان‌ها، به‌خصوص در مورد مصالح با رنگ روشن مثل سیمان سفید
> نماهای داخلی از قبیل سرامیک و کاغذ دیواری
> مصالح و تجهیزات جاده‌سازی مثل دیواره‌های عایق صدا، دیواره و چراغ تونل‌ها، چراغ راهنمایی
> پارچه و پوشاک

filereader.php?p1=main_f426c961fa865c72f
شکل 3- خاصیت خود تمیزشوندگی پوشش لامپ تونل 

filereader.php?p1=main_94076178cf017507a
شکل 4- استفاده از خصلت خود تمیزشوندگی کاتالیزور نوری برای تمیز کردن نمای خارجی ساختمان‌ها

2-1- خاصیت ضد مه گرفتگی
یکی از عملکردهایی که با استفاده از خصلت آب‌دوستی قوی کاتالیزورهای نوری ایجاد می‌شود، خاصیت ضد بخار بودن سطوح پوشیده شده با این کاتالیزورها است. این پدیده از سال 1997 معرفی شد. بخار یا مه گرفتگی زمانی رخ می‌دهد که بخار سرد روی سطح می‌نشیند و قطره‌های آب تشکیل می‌شود. روی یک سطح فوق آب‌دوست هیچ قطره آبی تشکیل نمی‌شود و به‌جای آن، فیلم نازک یکپارچه‌ای از آب روی سطح تشکیل می‌شود و این لایه یکنواخت از تشکیل مه (که متشکل از هزاران قطره کوچک است) جلوگیری می‌کند. بدین ترتیب و با این تکنولوژی، با فرایندی ساده و کم هزینه، تجهیزات آینه‌ای، شیشه‌ای و عینک‌های با خاصیت ضد بخار، به‌خصوص برای کاربرد در آینه جاده‌ها، ویترین یخچالی مغازه‌ها و داخل پنجره خودروها ساخته می‌شود (شکل 5) [7و6و1].
filereader.php?p1=main_9f79746a9c46281d5
شکل 5- استفاده از خاصیت ضد بخار گرفتگی تیتانیوم دی‌اکسید در آینه خودرو و آینه منحنی جاده

عنوان : خود تمییز شونده گی و کاربرد آن در صنعت خودرو

توضیحات : پوشش نانومتری از اکسیدتیتانیم بر شیشه، منجر به خاصیت خود تمییز شوندگی در آن می شود. تیتانیوم دی اکسید به دلیل دارا بودن خواصی از قبیل قیمت پایین، در دسترس و غیر سمی بودن پرکاربردترین کاتالیزور نوری در اکثر موارد می باشد.کاتالیزوری نوری با استفاده از تابش فرابنفش در معرض رطوبت بازیابی می شوند.شستشوی ساده‌ی کاتالیزور نوری با آب مقطر سبب بازیابی کامل فعالیت‌های اولیه آن می‌شود.

نمایش توضیحات فیلم


چند رسانه‌ای 2:خود تمییزشوندگی و کاربرد آن در صنعت خودرو

3-1- کاهش دمای ساختمان
یکی از راه‌های مقرون به‌صرفه برای کاهش دمای یک ساختمان، پاشیدن آب روی دیواره خارجی آن است. البته ساختمان با آب خنک نمی‌شود، بلکه با تبخیر آب، کاهش دما رخ می‌دهد. برای کاهش مقدارآب استفاده شده، روی سطح خارجی ساختمان را با کاتالیزور نوری می‌پوشانند. فوق آب‌دوست بودن این سطوح، سبب می‌شود که یک لایه خیلی نازک آب به ضخامت 0.1 میلی‌متر بتواند همه سطح را پوشش دهد و بدین ترتیب مقدار آب کمی برای مرطوب نگاه داشتن سطح، مصرف خواهد شد. سطح مرطوب به‌سهولت زنگ می‌زند، اما چون تیتانیوم دی‌اکسید، فعالیت اکسیدکنندگی نیز دارد، این مشکل هم برطرف می‌شود. با این تکنولوژی در مصرف الکتریسیته مصرفی برای بهبود دمای هوا، صرفه‌جویی می‌شود. در مقیاس واقعی مصرف الکتریسیته تا چند ده درصد کاهش خواهد یافت (شکل 6)[1].

filereader.php?p1=main_243cae33b855983d1
شکل6- استفاده از تیتانیوم دی‌اکسید، آب باران و نور خورشید برای خنک کردن ساختمان

2- کاربردهای نوین
1-2- لباس‌های محافظ
آلوده شدن به مواد شیمیایی ممکن است در طول جنگ‌‌‌‌ها، حمله‌های تروریستی و حوادث تصادفی اتفاق افتد. سربازان انتظار دارند که از لباس‌هایی سبک‌تر که تحمل شرایط محیطی را نیز برای آن‌ها بهبود می‌بخشد، استفاده کنند. هرچند قدرت حفاظت لباس‌های محافظ معمولی در برابر بسیاری از عوامل شیمیایی مناسب و مطلوب است، اما این لباس‌ها دارای معایبی از جمله وزن زیاد، حجیم بودن و عدم تبادل هوا که موجب گرم شدن می‌شود، نیز هستند. همچنین این لباس‌ها فقط یک سد فیزیکی در برابر عوامل شیمیایی هستند و در صورت آلوده شدن، ماده‌ شیمیایی در آن باقی می‌ماند و باید روشی برای حذف و تخریب مواد شیمیایی به‌کار گرفته شود. به این دلایل، نیاز برای پوشش محافظی که نه تنها سدی در برابر ماده‌ شیمیایی باشد، بلکه بتواند این عوامل را تجزیه کند، احساس می‌شود. این نوع از محصولات، منسوجات هوشمند نام دارند. استفاده از نانوذرات تیتانیوم دی‌اکسید در بافت منسوجات، پوشش‌هایی با توانایی تخریب عوامل شیمیایی را ایجاد خواهد کرد. لباس‌های محافظ هوشمند کاتالیزور نوری، دارای خواص بهبود یافته دیگری چون محافظت در برابر اشعه‌‌ ماوراءبنفش، ضد باکتری بودن و ضد چروک بودن نیز دارند [8].

2-2- رنگ‌های کاتالیزور نوری
رنگ‌های کاتالیزور نوری، شامل پودر کاتالیزور هستند که برای سطوح داخل و خارج از ساختمان قابل استفاده‌اند. در مکان‌هایی از قبیل بیمارستان‌ها و مدارس که نیاز است فضای داخل ساختمان عاری از آلاینده‌ها باشد، از این نوع رنگ استفاده می‌شود. مزایای استفاده از رنگ‌های کاتالیزور نوری در خارج ساختمان عبارت است از پایداری رنگ تحت شرایط جوی، کاهش دمای ساختمان و خود تمیزشوندگی. این رنگ‌ها به خاطر فعالیت اکسایشی کاتالیزور نوری، ضد قارچ و ضد باکتری نیز هستند. رنگ کاتالیزور نوری توسط نور خورشید یا لامپ ماوراء بنفش فعال شده و آلودگی‌ها را تخریب می‌کنند و بدین ترتیب این رنگ‌ها همواره تمیز باقی می‌مانند (شکل 7)[9].

filereader.php?p1=main_9c0a284b3f3d78595
شکل 7- دیوار رنگ شده به تناوب توسط رنگ معمولی و رنگ کاتالیزور نوری

3- نتیجه‌گیری:
سطوح خود تمیزشونده و ضد مه‌گرفتگی از کاربردهای عمده کاتالیزورهای نوری هستند. شیشه و سیمان همراه با کاتالیزور نوری امروزه بسیار مورد استفاده قرار دارد. شیشه‌های خود تمیزشونده یک پوشش کاتالیزور نوری دارند، که تحت تابش اشعه ماوراءبنفش آلودگی‌های آلی را تجزیه می‌کنند و در نتیجه آلودگی‌ها به آسانی توسط باران شسته می‌شوند. کاشی، سرامیک و سنگفرش‌هایی از این دست، جاذب بوهای نامطبوع و همچنین دارای خواص ضد باکتری و خودتمیزشونده هستند. مزایای استفاده از کاتالیزورهای نوری در محصولات مصرفی روزانه شامل کاهش آلاینده‌ها، استفاده حداقل از مواد شیمیایی و صرفه‌جویی در هزینه، زمان و انرژی است. سطوح شیشه‌ای، فلزی و سرامیکی فعال‌شده کاتالیزور نوری به‌طور گسترده‌ای ساخته شده و تلاش برای ساخت سطوح پلاستیکی ادامه دارد. در حال حاضر، کاربردهای متعددی از کاتالیزورهای نوری جنبه تجاری پیدا کرده است، اما هنوز مورد توجه عموم نیست و امید است این تکنولوژی سبز در آینده سهم قابل قبولی را در بازار جهانی دارا باشد.

منابـــع و مراجــــع

1. Hashimoto, K., Irie, H., Fujishima, A. “TiO2 Photocatalysis: A Historical Overview and Future Prospects”, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 12, pp. 8269–8285, (2005).

2. Benedix, R., Dehn, F., Quaas, J., Orgass, M. “Application of Titanium Dioxide Photocatalysis to Create Self-Cleaning Building Materials”, LACER No. 5, pp. 157-168, (2000).

3. Carp, O., Huisman, C. L., Reller, A. “Photoinduced Reactivity of Titanium Dioxide”, Progress in Solid State Chemistry, Vol. 32, pp. 33-177, (2004).

4. Folli, A. “TiO2 photocatalysis in Portland cement systems: fundamentals of self cleaning effect and air pollution mitigation”, A thesis presented for the degree of Doctor of Philosophy at the University of Aberdeen, (2010).

5. Zhang, S., H., Tanadi, D., Li, W. ”Effect of photocatalyst TiO2 on workability, strength, and self-cleaning efficiency of mortars for applications in tropical environment”, 35th Conference on Our World in concrete & structures, Singapore, (2010).

6. Mori, K. “Photo-Functionalized Materials Using Nanoparticles: Photocatalysis”, KONA, No. 23, pp. 205-214, (2005).

7. Sánchez, B., Muñoz-Vicente, M., Sánchez-Muñoz, M., Portela, R., Suárez, S., Hernández-Alonso, M. D., Canela, M. C. “Indoor Environment Improvement by Using a Safer Photocatalytic System”, The Second International Conference on Building Energy and Environment, pp. 656-663, (2012).

8. Senic, Z., Bauk, S., Todorovic, M. V., Pajic, N., Samolo, A., Rajic, D. “Application of TiO2 Nanoparticles for Obtaining Self- Decontaminating Smart Textiles”, Scientific Technical Review, Vol. 61, No. 3-4, pp. 63-72, (2011).

9. www. Ecogreen-plus.com, “photocatalytic paint”.

نظرات و سوالات

نظرات