برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۸/۲۶ تا ۱۳۹۷/۰۹/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۵,۷۴۳
  • بازدید این ماه ۲۷۴
  • بازدید امروز ۳
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۹۵
  • قبول شدگان ۶۶
  • شرکت کنندگان یکتا ۵۴
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۶۵
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

مقالات منتخب ماهنامه نانو

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

مروری بر کاربردهای ویژه نانـو ذرات دی‌اکسید تیتانیـم

مواد پوششی با TiO2 تا کنون برای نقش‌های خود‌تمیز‌شوندگی، ضدمیکروبی، ضدبخار استفاده شده است. توجه به این نکته مهم است که این نقش‌ها بدون استفاده از مواد شیمیایی و فقط تنها با استفاده از نور خورشید و آب باران به دست آمده است. بنابراین مواد پوشش داده شده با TiO2 می‌تواند به عنوان مواد سازگار با محیط زیست طبقه بندی شوند. در این مقاله علاوه بر مکانیسم و عملکرد، برنامه‌های کاربردی بیشتری از فوتوکاتالیست TiO2 که می‌تواند فعالانه به حفظ محیط‌زیست و یا مشارکت در بهبود فناوری‌ها داشته باشد را بررسی خواهیم کرد.
1. مقدمه
امروزه استفاده از کاتالیزورهایی که با تابش نور (فوتوکاتالیست) فعال می‌شوند بسیار رایج شده‌است. یکی از فوتوکاتالیست‌هایی که از گذشته در صنعت کاربرد داشته‌ دی‌اکسید‌تیتانیم (TiO2) است. بنابراین غیر مضر بودن این ماده برای انسان و محیط زیست به اثبات رسیده است. مطالعات انجام شده از ابتدای قرن 20 تا به حال بر روی TiO2 دو نقش متفاوت این ترکیب را به اثبات رسانده است. نقش اول قابلیت اکسیداسیون احیا ترکیبات جذب شده بر روی سطح آن و نقش دوم تغییر خصوصیات سطح اجسام به حالت هیدروفیلی (آبدوستی) زمانی‌که TiO2 بر روی آن سطح قرار گیرد. ترکیب این دو نقش ابداعات مختلفی از کاربرد TiO2 در زمینه‌های گوناگون را به وجود آورده است.
در سال‌های اخیر مقالات مروری زیادی در زمینه کاربردهای مختلف دی‌اکسید تیتانیم ارائه شده است [10-13]. در سال 2008 فوجی شیما و همکارانش در مقاله‌ای با عنوان فوتوکاتالیست TiO2 و پدیده‌های محیطی وابسته به آن در مورد تمام ابعاد فوتوکاتالیست TiO2 توضیح کاملی ارائه دادند[6]. همچنین در سال 2010 مقاله‌ای با عنوان فوتوکاتالیست گندزدا توسط گاماژ و همکارش ژانگ ارائه شد. در این مقاله کاربردهای فوتوکاتالیست‌ها در زمینه تصفیه هوا و محیط‌های بیرونی، محیط‌های درونی، بیمارستان‌ها و آزمایشگاه‌ها، کارخانه‌های مواد غذایی و داروسازی توضیحاتی ‌ارائه شده است [7].
در سال 2011 یان و همکارانش در مقاله‌ای مروری به نام تجزیه فوتوکاتالیستی بر پایه نانو ذرات TiO2 تخریب ترکیبات کلرو آروماتیک، مکانیسم و عملکرد نانو ذرات TiO2 را در تجزیه ترکیبات کلرو آروماتیک شرح داده‌اند [8].
در این مقاله سعی شده‌است از خواص TiO2 به صورت مختصر در زمینه‌های خودتمیز‌شوندگی، ضد میکروبی، ضد بخار نمودن شیشه و آینه‌ها (ضد مه شدن)، تصفیه آب و هوا و فعالیت‌های زیست محیطی آن توضیح داده شود.

2. فوتو‌کاتالیست‌های نیمه‌هادی
فوتو‌کاتالیست‌های نیمه‌هادی ترکیباتی هستند که در اثر تابش نور، واکنش‌های شیمیایی در سطح آنها تسریع می‌شود. از واکنش‌های فوتوکاتالیستی در کاربردهای عملی فراوانی استفاده شده است. انتخاب فوتوکاتالیست نیمه‌هادی مناسب، در بسیاری از کاربردهای عملی و بنیادی مهم است. چون فوتو کاتالیست‌های نیمه‌هادی همیشه جامد هستند، تغییرات متعددی در اندازه و توزیع آنها، مساحت سطح، ساختار سطحی و کریستالی آنها می‌توان ایجاد کرد.با بررسی‌های مختلفی روی فوتوکاتالیست‌های نیمه‌هادی، امکان فعال شدن آنها فراهم شده است. بدین ترتیب از انرژی نوری با کارایی بالایی می‌توان استفاده کرد [4].

3. فعالیت فوتوکاتالیستی
واکنش فوتوکاتالیستی نیمه هادی ساده است. تیتانیوم دی‌اکسید یک نیمه‌هادی است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است نیمه‌هادی دارای دو باند ظرفیت (پر از الکترون) و هدایت (خالی از الکترون) می‌باشد و بین این دو باند فاصله‌ی خاصی (گاف انرژِی) قرار دارد که در صورت تابش نور با طول موج مشخص امکان انتقال الکترون از باند ظرفیت به باند هدایت می‌باشد. در اثر انجام این عمل لایه‌ی ظرفیت، الکترون از دست داده و لایه‌ی هدایت دارای الکترون خواهد داشت. این عمل انتقال در زمان بسیار کوتاهی انجام می‌گیرد و دو مرتبه الکترون از تراز بالا (باند هدایت) به تراز پایین (باند ظرفیت) بر می‌گردد. مسیر (A) و (B)، امکان دیگری است که اگر در محیط ترکیبی باشد که توانایی دادن الکترون به باند ظرفیت TiO2 را داشته باشد مسیر (D) معمولاً آن ترکیب اکسید می‌شود. همچنین اگر ترکیبی باشد که بتواند از باند هدایت الکترون بگیرد (A) معمولاً اکسیژن مسیر (C) احیا می‌شود. بنابراین TiO2 امکان اکسید یا احیا کردن ترکیباتی که در مجاور آن قرار می‌گیرد. در هنگامی که نور با طول موج مشخصی به آن تابیده شود را خواهد داشت [5].
توانایی یک نیمه‌هادی برای اینکه الکترون خود را با تابش نور به مواد جذب شده روی سطح منتقل کند، به وسیله مکان‌های انرژی ترازهای نیمه هادی و پتانسیل اکسایش-کاهش ماده جذب شده بستگی دارد. سطح پتانسیل نسبی مواد گیرنده باید از لحاظ ترمودینامیکی پایین‌تر از پتانسیل نوار هدایت نیمه‌هادی باشد. سطح پتانسیل دهنده باید بالاتر (منفی‌تر) از مکان نوار ظرفیت نیمه‌هادی باشد، تا بتواند الکترون را به مکان خالی حفره منتقل کند نیمه‌هادی‌هایی نظیر CdS ،ZnS ، ZnO و Fe2O3 به علت ناپایداربودن‌شان فوتو کاتالیست‌های مناسبی نیستند. WO3 وSrTiO3 هم به خاطر گرانی و آسان نبودن تهیه‌شان گزینه‌های مناسبی نیستند. در بین این ترکیبات TiO2 از جهات مختلف فوتو کاتالیست ایده آلی به نظر می‌رسد [3].

filereader.php?p1=main_0399ba2e1eb502d2b
شکل1. عملکرد فوتوشیمیایی ذرات TiO2 برانگیخته [5].

در سال 1960 دانشمندان ژاپنی با توجه به این خصلت TiO2 موفق به تجزیه فوتوالکتروشیمیایی آب شدند. مکانیزم پیشنهادی آنها به صورت زیر می‌باشد (واکنش‌های 1-4)؛ به ترتیب مکانیزم‌های تحریک، الکترود TiO2، الکترود پلاتین، و واکنش کلی:

filereader.php?p1=main_4e5047081f9d7827c

هنگامی که سطح TiO2 درمعرض امواج با طول موج کوتاهتر از nm 415 قرار می‌گیرد، جریان الکتریکی در مدار خارجی از سمت الکترود پلاتین به سوی الکترود TiO2 برقرار می‌شود. جهت جریان نشان دهنده‌ی واکنش اکسایش در الکترود TiO2 و واکنش کاهش در الکترود Pt است. این حقیقت نشان می‌دهد که توسط نیمه هادی TiO2 می‌توان آب را توسط تابش امواج ماورا بنفش (UV) مرئی و بدون اعمال ولتاژ خارجی مطابق با واکنش‌های بالا به اکسیژن و هیدروژن تجزیه نمود. در این مکانیزم(+hحفره)همان لایه ظرفیت خالی از الکترون می‌باشد. حسن استفاده از این روش برای تجزیه‌ی آب با استفاده از نور و کاتالیزور بوده که منبع مناسبی برای تولید گاز هیدروژن به عنوان یک سوخت و جایگزین نفت خام می‌باشد. این مدار و الکترود TiO2 در حضور الکترولیت محلول آبی و در شرایط یکسان بیشتر از سایر نیمه رساناها پایدار است [4].
از کاربردهای دیگر اکسید تیتانیم می‌توان تجزیه مواد مضر را نام برد. در سال 1977 اولین گزارش‌ها مبنی بر تصفیه آب و تجزیه‌ی سیانید توسط پرفسور بارد و همکارانش گزارش شد و قسمتی از هدف آزمایش به جای تولید هیدروژن به اکسید شدن ترکیبات مضر (از جمله آلودگی‌های آب) تبدیل شد. در این مورد دیگر نیازی به پلاتینه کردن TiO2 نبود و از پودر این ماده در شرایط خاص استفاده شد [4].

4. فوتو کاتالیست TiO2
TiO2 از لحاظ شیمیایی بسیار پایدار است، ارزان قیمت است و حفره‌هایی که با تابش نور در آن ایجاد می‌شود شدیدا اکسید کننده هستند. حفره‌هایی که با تابش نور ایجاد شده‌اند بعد از واکنش با آب، این حفره‌ها رادیکال‌های• OHایجاد می‌کنند و پتانسیل آن به مقدار کمی کاهش پیدا می‌کند. پتانسیل احیا برای نوار هدایت الکترون‌ها 52/0- است، بنابراین به اندازه کافی منفی هست که مولکول‌های اکسیژن را به صورت O- 2 احیا کند. با توجه به شرایط موجود، حفره‌ها رادیکال‌هایO2-، H2O2،O2 ،OH می‌توانند نقش مهمی در مکانیزم‌های مربوط به فرآیند فوتوکاتالیستی داشته باشند. در روابط 5 تا 11 واکنش‌های مربوط به مکانیزم فوتوکاتالیستی TiO2 آورده شده است.

filereader.php?p1=main_8657cf4ab72ee5e46

TiO2 در سه حالت شبکه‌ای روتیل، آناتاز و بروکیت وجود دارد. در مقایسه بین این سه حالت شبکه‌ای، آناتاز بیشترین سهم فعالیت فوتوکاتالیستی را دارد. در گذشته فرم روتیل انحصاراً در تولید محصولات صنعتی استفاده می‌شد، ولی در ادامه به جای این ترکیب از حالت آناتاز TiO2 استفاده شد. این ترکیب امروزه بیشترین کاربرد را در تولید محصولات صنعتی دارد [3].

filereader.php?p1=main_35cc8a4bfeaefe4e0
شکل2. زمینه‌های اصلی عملکرد TiO2

به طور کلی آناتاز با داشتن Eg باند گپ ( 3/2ev) نتایج بهتری از روتیل (3ev ) در تولید فوتو کاتالیست‌های پودری دارد. یکی از دلایل اصلی آن داشتن پتانسیل احیای بالاتر برای تولید الکترون‌ها از ابتدای تشکیل تا انتهای نوار هدایت است (باند گپ آناتاز 0/1 الکترون ولت منفی تر از روتیل می‌باشد) بنابراین توانایی بیشتری برای از بین بردن آلودگی‌ها خواهد داشت [3].
تحقیقات دیگر بیانگر این مطلب است که یک کاتالیست ایده آل مخلوطی از فازهای آناتاز و روتیل است. علت افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی انتقال الکترون بین فازهای کریستالی است که منجر به کاهش ترکیب مجدد الکترون-حفره در فاز دهنده الکترون می‌شود، در نتیجه حفرات بیشتری از فاز دهنده الکترون می‌توانند به سطح کریستال نفوذ کرده و در مرحله تولید رادیکال شرکت کنند. مطالعات نشان می‌دهد که انتقال الکترون از روتیل به آناتاز صورت می‌گیرد. خروج گروه‌های هیدروکسیل از صفحات (101) و (100) آناتاز راحت‌تر از صفحه (110) روتیل است. از آنجایی که گروه‌های هیدروکسیل در فاز آناتاز در مقایسه با فاز روتیل با استحکام کمتری متصل شده‌اند، افزایش تعداد حفرات نفوذ کننده به سطح آناتاز احتمالا باعث افزایش تعداد گروه‌های هیدروکسیلی خواهد شد که به رادیکال هیدروکسیل تبدیل خواهند شد که در نهایت سرعت حمله به ترکیبات آلی افزایش می‌یابد.
محققان پیشنهاد کرده‌اند که به احتمال زیاد الکترون‌ها به تله‌های الکترونی آناتاز، که در سطح انرژی پایینتری قرار دارند، منتقل می‌شوند [9]. سرعت تولید الکترون-حفره در روتیل به دلیل پایین‌تر بودن شکاف انرژی در مقایسه با آناتاز بیشتر است، اما فاز آناتاز در مقایسه با روتیل الکترون‌های بیشتری را به دام می‌اندازد، بنابراین ترکیب مجدد الکترون-حفره در فاز آناتاز نسبت به روتیل کمتر صورت می‌گیرد که این امر منجر به افزایش تعداد حفرات در دسترس می‌شود.
مطالعات دیگر نشان می‌دهد که علت افزایش فعالیت مخلوط آناتاز-روتیل، انتقال الکترون‌ها از فاز روتیل به تله‌های الکترونی آناتاز است که در سطح انرژی پایین تری قرار دارند [9]. این امر موجب می‌شود تعداد بیشتری از حفرات تولید شده در فاز روتیل به سطح نفوذ کرده و با جذب گروه‌های هیدروکسیل در تولید رادیکال آزاد شرکت کنند.
در شکل 2 کاربرد‌های اصلی فعالیت فتوکاتالیست TiO2 نشان داده شده‌است. اخیراً کاربرد TiO2 بیشترشده است. خصوصاً استفاده از آن درتصفیه‌ی آب و هوا مقرون به صرفه‌تر است. زیرا با استفاده از فرایند اکسایش فوتوکاتالیست‌ها صورت می‌گیرد که دارای مزایای زیراست: راه‌اندازی آسان، عمل کردن در دمای پایین، عدم نیاز به پیش پرداز و هزینه‌ی پایین انجام این فرایند که در نتیجه مصرف انرژی کمتر می‌باشد [3].

1.4. اثر خود‌تمیز‌شوندگی
برای پی بردن به خاصیت خود تمیز شوندگی دو اثر فوق آبدوستی و فوق آبگریزی را بایستی شناخت. از سطوح آب گریز می‌توان برگ گیاه نیلوفر آبی و یا کاشی را مثال زد. و یا با استفاده ازمواد آب دوست تولید شده در اثر فعالیت فوتوکاتالیست نیمه‌هادی TiO2 ، پوشش شیشه‌ای، کاشی، سرامیک و مواد پلاستیکی تهیه شده ‌است. اگر این مواد دارای پوشش TiO2 در معرض نور قرار بگیرند، روغن و آلودگی‌های آلی را که روی آن قرار گرفته‌اند را تجزیه می‌کنند و اگر در تماس با آب قرار بگیرد به راحتی توسط آب (باران) شست و شو داده می‌شود [1]. خیس کردن سطح جامد با آب، جایی که هوای متوسطی اطراف آن وجود دارد به زاویه‌ی تماسی θ (زاویه‌ی بین قطره آب و سطح) مربوط می‌شود. زاویه‌ی تماسی صفر خیسی کامل (قطره آب بصورت یک لایه در روی سطح آب پخش شود) و زاویه‌ی تماسی 180 درجه مربوط به غیر خیسی کامل (قطره آب بصورت یک کره کامل روی سطح باقی می‌ماند) است (شکل3).

filereader.php?p1=main_336a0b2762f59f29a
شکل3. زاویه تماس و میزان آبدوستی [2].

filereader.php?p1=main_b0059397e725a97a2
شکل4. (الف) اثر لوتوس (ب) عکس گرافیکی از سطح برگ نیلوفر آبی [2]

سطح آب گریز با رطوبت پذیری کم و زاویه‌ی تماس حدود 100 درجه برای مدت طولانی شناخته شده بود، افزایش این زاویه باعث کاهش چسبندگی می‌شود و کاهش زاویه‌ی تماس منجر به مقادیر بزرگ‌تری از چسبندگی می‌شود. دفع آب از سطح گیاه برای سال‌ها شناخته شده‌بود، این سطوح دافع آب از سطح گیاه خاصیت خود تمیز شونده‌ای ایجاد می‌کند که برای مدت‌ها به طور کامل نادیده گرفته شده بود (شکل4).
اخیراً دانشمندان ارتباط بین جزئیات ریز‌ساختارها و خیسی، و هم‌چنین از بین بردن آلاینده‌ها را با استفاده از برگهای نیلوفر آبی مورد بررسی و اثبات قرار داده‌اند [1]. نام این اثر، اثر لوتوس است زیرا می‌توان آن را به زیبایی با برگ‌های بزرگ گیاه نیلوفر آبی نشان داد (شکل4) سطوح ریز و زبر زاویه‌ی تماس بالاتر از 130 درجه را نشان می‌دهد (4-ب) این بدین معناست که چسبندگی آب به عنوان ذرات کاهش می‌یابد، آب با چنین سطح تماسی قطره نامیده می‌شود. ذرات آلوده به سطح قطره می‌چسبند و با غلتیدن قطرات از سطح زبر دفع می‌شوند (4-الف) [2].
روش تمیز کردن بر اساس زاویه‌ی کم از زمان کشف صابون شناخته شده‌بود (سه هزار سال پیش از میلاد). به طور کلی مواد شوینده باعث کاهش کشش سطحی و زاویه‌ی تماس می‌شوند. یکی دیگر از امکانات بسیار جالب از زاویه تماس کم بدون استفاده از مواد شوینده برای تمیزی سطوح، استفاده از فیلم نازک فعال می‌باشد. در سال‌های گذشته استفاده از مواد پوشش داده شده با TiO2 مورد توجه قرار گرفته است. اگر TiO2 از نوع آناتاز باشد موقعی که تحت تابش نور ماورای بنفش قرار می‌گیرد زاویه‌ی تماس کمتر از 1 درجه به دست می‌آید. این مواد دارای ویژگی منحصر به فرد جذب بیشتر به جای دفع آب دارند (فوق آبدوست) دی اکسید تیتانیم با تابش نور خاصیت آب دوستی پیدا می‌کند و آب بر روی سطح آن بصورت ورقه در می‌آید و در تاریکی خاصیت آب‌گریزی به خود می‌گیرد. البته تبدیل خاصیت آب‌دوستی به آب‌گریزی در تاریکی به حدود دو روز زمان نیاز دارد. علاوه بر این TiO2 در تابش نور ماورای بنفش خاصیت دیگری که توانایی اکسیدکنندگی و تجزیه بسیاری از انواع باکتری‌ها، مواد آلی و معدنی می‌شود را دارا می‌باشد. در ادامه اصول و کاربرد‌های بالقوه فوتوکاتالیست‌ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت [4].
با پوشش دادن مواد ساختمانی با فوتوکاتالیست‌های فوق آب‌دوست، آلودگی از روی دیوارها به آسانی با شستشو و یا باران برداشته می‌شود، و دیوارهای خارجی برای مدت طولانی تمیز نگه داشته می‌شوند. در اینجا دو اثر را باید در نظر داشت: اول سطح فوق آب‌دوست تمایل زیادی به آب نسبت به چربی دارد و دوم اینکه تابش ماورای بنفش به TiO2 به تشکیل جفت الکترون-حفره برای واکنش با اکسیژن و آب در محیط کمک می‌کند تا عوامل تمیز‌شوندگی بر روی سطوح مواد پوششی تشکیل شود. این عوامل رادیکال‌های (OH, OOH) می‌باشند که مولکول‌های بزرگ آلی را به قطعات کوچک تبدیل می‌کنند [3].

2.4. استفاده از نقش خود تمیز کنندگی در تونل‌ها
در اکثر تونل‌ها برای روشنایی از لامپ‌های سدیم که نور زرد را منتشر می‌کنند استفاده می‌شود، منتهی به علت آلودگی هوا سریعا سطح خارجی لامپ کثیف و شدت نور آن کم می‌شود. لامپ سدیم در ناحیه مرئی نشر دارد ولی در حدود3mw/cm2  نور ماورای بنفش را نیز نشر می‌کند. از این خاصیت استفاده شده و با پوشش دادن TiO2 بر روی سطح خارجی لامپ و اثر فوتو کاتالیستی TiO2 ، اثر خود تمیز شوندگی لامپ را باعث شده است و می‌توان برای مدت زیادی از این لامپ‌ها استفاده کرد [4].

3.4. نقش ضد بخار
در شیشه و آینه‌های معمولی بخار آب باعث ماتی سطح آنها می‌شود. ولی در شیشه و آینه‌های که سطح آنها توسط یک لایه نازک TiO2 پوشش داده شده است به علت خاصیت آب‌دوستی TiO2 در حضور تابش نور به جای قطرات آب یک فیلم نازک و یکنواخت آب تشکیل می‌شود ودیگر حالت ماتی وجود نخواهد داشت. با پوشش TiO2 بر روی سطوح این حالت فوق آب‌دوستی برای چندین روز تا یک هفته بدون تغییر باقی می‌ماند. بنابراین انتظار داریم با استفاده از این روش که فرایند راحت‌تر و ارزان‌تری است، شیشه‌های مختلف مثل آیینه‌ها، عینک‌ها و وسایل دیگر با کمک این خاصیت ضدبخار تولید شوند. امروزه آیینه‌های جانبی برخی اتومبیل‌ها به این سیستم ضد بخار مجهز شده ‌است [4].

4.4. خاصیت ضد میکروبی TiO2
همانطور که در قسمت‌های قبل گفته شده است TiO2 در اثر تابش نور می‌تواند گونه‌های• O2و• OHرا تولید نماید. این ترکیبات به غشای خارجی باکتری‌ها که شامل فسفولیپید، پروتئین و LPS (لیپوفسفوساکارید) می‌باشد، حمله می‌کنند و باعث تخریب باکتری می‌شود. در روش دیگر یون‌های مس (به عنوان کمک کننده به خاصیت فتوکاتالیستی) در داخل ذرات TiO2 لایه نشانی می‌شود و مکانیزم تخریب باکتری و ورود مس به داخل سیتوپلاسم را داریم که عمل تخریب باکتری سریعتر و در تابش نورکمتر انجام می‌شود (شکل5).
گونه‌های مسی که بر روی TiO2 لایه‌نشانی شده‌اند مخلوطی از فاز مس و یون‌های مس (Cu+, Cu+2) گزارش شده‌اند. موقعی که فیلم TiO2 /Cu مورد تابش قرار می‌گیرد یون‌های مس می‌توانند به فلز مس کاهش یابند و فلز مس می‌تواند به وسیله‌ی حفره و الکترون‌ها مرتبا به یون‌های مس اکسید شود. علاوه بر مس از نقره لایه نشانی شده بر روی TiO2 نیز برای از بین بردن میکروب‌ها استفاده شده است که نقره اثر ضد میکروبی بهتری را نشان داده است.
امروزه استفاده از آجرهایی که برای کشتن باکتری‌ها به کار می‌روند می‌توانند در بیمارستان‌ها و وسایل مراقبتی برای کاهش شیوع عفونت و بیماری‌های خطرناک که سیستم ایمنی انسان را ضعیف می‌کند، مفید باشد. تعداد باکتری‌های دیواره‌ی اتاق عمل بعد از به کار گیری آجرهای فوتوکاتالیستی به عدد صفر کاهش پیدا کرد و باکتری‌های موجود در هوا نیز به میزان قابل توجهی تقلیل یافته است [4].

5. فوتوکاتالیست‌ها در قرن 21
برای افزایش حساسیت فوتوکاتالیست به نور خورشید از روش اچ‌کردن (etching) استفاده شده‌است که اچ کردن هم خاصیت آب‌دوستی سطح را افزایش می‌دهد و هم باعث افزایش خاصیت آب‌گریزی سطح هیدروفوب می‌شود. افزایش خاصیت فوتو‌کاتالیستی TiO2 با افزایش سطوحی که TiO2 بر روی آن قرار خواهد گرفت افزایش پیدا می‌کند. یکی از روش‌ها، افزایش سطح این خلل و فرج در سطح است که به این عمل اچ کردن گویند. عمل اچ کردن به روش‌های مختلف از جمله استفاده از اسید یا تابش لیزر امکان‌پذیر است. زمانی‌که سطح افزایش پیدا می‌کند، دانسیته‌ی گروه OH فیلم TiO2 افزایش پیدا می‌کند و این موضوع میزان آب‌دوستی را به شدت افزایش می‌دهد [4].

6. برنامه‌های کاربردی جدید زیست محیطی
1.6. تصفیه آب
امروزه آلودگی محیط زیست از جمله آب، هوا و خاک به طور فزاینده‌ای به یک مشکل جدی تبدیل شده‌ است. از سال 1970 گزارش‌های بسیاری با هدف استفاده از فوتوکاتالیست TiO2 برای از بین بردن آلودگی‌ها وجود داشته‌ است [1]، با این حال عمل تصفیه که فضای سه‌بعدی لازم دارد به دو دلیل سخت‌تر از سطح دو بعدی مصالح ساختمانی است، یکی اینکه واکنش‌های فوتوکاتالیست واکنش‌های سطح هستند و در نتیجه واکنش‌دهنده باید با سطح فوتوکاتالیست درگیر شود و دیگر اینکه کل مقدار واکنش دهنده به طور کلی در فضای سه‌بعدی نسبت به دو بعد بیشتر است و برای تصفیه فضای سه‌بعدی انرژی نور بیشتری نیاز است. دانشمندان در زمینه‌ی تصفیه‌ی آب اصول بی‌شماری ایجاد کرده‌اند و در مطالعات مختلف سیستم‌ها، به خوبی آگاه هستند که پودر فوتوکاتالیست TiO2 باید در یک سوسپانسیون مایع پراکنده شود و بعد از فرایند تخریبی مواد آلوده توسط تابش نور uv پودر به صورت سوسپانسیون از آب جدا می‌گردد [4].
این سیستم‌ها به سختی کنترل می‌شوند و استفاده از فیلتر‌ها و دیگر روش‌ها به علت وجود ذرات نانو فلزی TiO2 نامؤثر بوده و هزینه‌های بالایی در پی دارند. در این زمان راکتورهایی طراحی شد که TiO2بر روی سطح شیشه‌ها، سرامیک‌ها یا فلزات تثبیت می‌گردد. در حال حاضر علاقه‌ی زیادی به گسترش و بهبود راکتورهای بستر ثابت فیلم نازک (thin-film-fix-bed) وجود دارد، در این راکتورها فاضلاب صنعتی از روی مواد پوشش داده شده با TiO2 عبور داده می‌شود. به عبارت دیگر ما می‌توانیم به جای اینکه فضای سه‌بعدی مثل آب یا هوا را داشته باشیم، اجسام موجود را در یک سطح دو‌بعدی همانند جسمی که از تجزیه‌شدن در مصالح ساختمانی به وجود می‌آید به کار ببریم.
برای از بین بردن آلودگی‌ها در آب به فوتوکاتالیست غیرمتحرک TiO2 و منبع uv که می‌تواند از خورشید یا لامپ‌های مصنوعی تهیه شود نیاز است، بنابراین هزینه‌های آن می‌تواند از سایر روش‌های اکسایش پیشرفته uv/O3، uv/H2O2 و فوتون کمتر باشد و به دلیل اینکه هیچ حد واسطی برای فرایند از بین بردن آلودگی وجود ندارد می‌توانند برای تمیز‌کردن آب محیط و حتی آشامیدنی به کار روند [4].

2.6. تصفیه هوا
اکسایش فوتوکاتالیستی، آلودگی هوا را تجزیه و برطرف می‌کند. با استفاده از راکتورها حاوی TiO2 می‌توان مواد آلی را اکسید و به آب و دی اکسید کربن و مواد اولیه‌ی خود تبدیل کرد. این راکتورها در دمای اتاق و با فشار ناچیز عمل می‌کنند، بنابراین می‌توانند برای سیستم‌ها در هر شرایط هوایی و تهویه استفاده شوند. فیلتر این راکتورها که حاوی TiO2 و پودر جاذب کربن فعال برای جذب‌کردن گازهای موجود در هوا می‌باشند. این فیلتر می‌تواند برای تمیز‌کردن هوا، بی‌بو کردن فضا و در نهایت برای تصفیه هوا در یخچال و آشپزخانه به کار رود [4].

3.6. اصلاح آب برای سیستم‌های کشت هیدروپونیک (رشد و نمو گیاهان در آب مغذی برای تقویت آن)
در کشت‌های هیدروپونیک به علت وجود مواد آلی و نیتروژن و فسفر زیاد در آب این محیط، امکان وارد نمودن آب به فاضلاب وجود ندارد و بایستی این آب تصفیه شود. اما از آنجایی که نیتروژن و فسفر این آب در صورت بازیابی برای استفاده مجدد مفید می‌باشد، امروزه روش تصفیه فوتوکاتالیستی سیستم‌های کشت هیدروپونیک رایج شده است.
فاضلاب از سیستم کشت هیدروپونیک گوجه‌فرنگی که در آن صفحات متخلخل سرامیکی پوشش داده شده با نانو‌ذرات فوتوکاتالیست TiO2 مورد استفاده قرار گرفته‌است عبور داده شد. آلاینده‌های آلی موجود در فاضلاب به راحتی در زیر نور خورشید تجزیه می‌شوند اما ترکیبات مغذی شامل نیتروژن، فسفر و پتاسیم این طور نیستند و از بین نمی‌روند، زیرا این ترکیبات بیشتر به شکل اکسیدهای خود حضور دارند.-NO3- ،PO43 و+K در محلول مواد مغذی وجود دارند و مجددا استفاده می‌شود. بنابراین انتظار می‌رود که این سیستم‌ها به عنوان یک به فناوری ذخیره‌سازی مواد غذایی به کار روند [4].

4.6. از بین بردن ترکیبات آلی کلردار فرار (VCOC) از خاک
ترکیبات آلی کلردار فرار مانند تری کلرواتیلن و تتراکلرواتیلن به عنوان حلال برای تمیز کردن لباس‌ها، بدون استفاده از آب و مواد شوینده (خشک‌شویی) و شستشوی نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌شود. ورود این مواد به محیط باعث آلودگی خاک و آب‌های زیرزمینی می‌شوند. این نوع از آلودگی‌ها از مشکلات جدی محیط زیست هستند چون این مواد شیمیایی سمی و سرطان زا هستند. رایج‌ترین روش برای از بین بردن این آلودگی‌ها جایگزینی خاک با خاک تمیز و یا حرارت دادن خاک به منظور خروج VCOCS به هوا می‌باشد، واضح است که این روش‌ها واقعا محیط زیست را خالص نمی‌کنند. محققان ورقه‌های فوتوکاتالیستی را برای خالص‌سازی خاک‌های آلوده طراحی کرده‌اند که آن‌ها را بر روی زمین قرار داده و با استفاده از نور خورشید همانطور که در شکل6 نشان داده شده، این فرایند را انجام می‌دهند.
خاک آلوده شده به وسیله‌ی ورقه‌ای دو‌جداره که شامل هم پودر TiO2 و هم پودر جاذب کربن فعال است، پوشش داده می‌شود. سپس خاک پوشش داده شده با کلسیم کلرید مخلوط شده و گرم می‌شود، گازهای آلاینده‌ی تبخیرشده توسط کربن فعال به دام می‌افتد. TiO2 در این صفحات با واکنش‌های فوتوکاتالیستی به طور کامل آلودگی‌ها را تجزیه می‌کند. محققان اثربخشی این روش را برای یک محیط واقعا آلوده امتحان کرده و تأیید شده که VCOCS بعد از چند هفته به ترکیبات بی‌ضرر تبدیل شده‌اند. این روش می‌تواند یکی از فناوری‌های تصفیه واقعی محیط زیست باشد [4].


filereader.php?p1=main_9b7a4c340ba8b078c
شکل5. تصویر شماتیک از فرایند تخریب دیواره سلولی باکتری E. Coli توسط مس موجود بر روی فیلم نازک Cu/ TiO2 تحت تابش نور ضعیف UV

5.6. بهره وری تبخیر آب از سطوح آب‌دوست
افزایش سریع جذب انرژی خورشیدی، به علت افزایش پوشش‌های سطح زمین توسط ساختارهای مصنوعی مانند ساختمان‌ها و جاده‌های آسفالت شده صورت می‌گیرد و افزایش در مصرف انرژی به علت انتشار حرارت از ترافیک اتومبیل‌ها و تهویه‌ی مطبوع در شهرهای بزرگ باعث افزایش درجه‌ی حرارت می‌شود، که به این پدیده جزیره‌ی گرمایی می‌گویند. روش مؤثر برای جلوگیری از پدیده‌ی جزیره‌ی گرمایی احداث مناطق سرسبز و یا مناطق آبی است. بنابراین کشت گیاهان روی پشت بام و یا ساخت دریاچه‌ی مصنوعی و یا باتلاق‌ها در حال حاضر در دست اقدام است. با این حال نمی‌توان زمینه‌هایی مثل احداث مناطق سرسبز یا سطوح آبی را به دلیل ارزش بالای زمین در مناطق شهری به راحتی دست آورد. محققان برای نگه‌داشتن آب بر روی سطح یک روش پیشنهاد کرده‌اند که در آن آب به صورت مداوم بر روی سطح ساختمانی که با فوتوکاتالیست TiO2 پوشانده شده است، عبور داده می‌شود. این سطوح با TiO2 فوق آب‌دوست پوشش داده شده می‌تواند یک فیلم نازک mm0/1 از آب را بر روی سطح خود نگه دارد و سطح ساختمان‌ها می‌تواند همانند یک دریاچه عمل کند.
این نکته مهم تأکید می‌کند که ساختمان‌ها و محیط اطراف، خود به خود با آب سرد نمی‌شوند بلکه جریان نهان تبخیر آب باعث کاهش دمای محیط می‌شود. آب برای تبخیر‌شدن از سطح احتیاج به گرما دارد و این گرما را از محیط می‌گیرد. لایه‌ی نازک آب به طور مؤثر دمای سطح ساختمان و دمای هوا را کاهش می‌دهد که مقدار شار نهان گرما برای خنک کردن فیلم نازک آب کاهش می‌یابد. از طرف دیگر سطوح مرطوب به راحتی کپک می‌زنند اما از آنجایی که فوتوکاتالیست TiO2 علاوه بر خاصیت آب دوستی، فعالیت ضد باکتریایی هم دارد، بنابراین در اینجا سطوح مشکلی ایجاد نمی‌کند. نتیجه خنک‌شدن ساختمان کاهش میزان مصرف برق برای هوای مطبوع می‌باشد. محققان این اثرات کمی را بر روی یک خانه و ساختمان واقعی اندازه گرفته‌اند و مشاهده کردند که مقدار برق مصرف شده تا چند ده درصد کاهش پیدا کرده است. بنابراین پوشش TiO2 همچنین می‌تواند به توسعه‌ی فناوری صرفه‌جویی انرژی کمک کند [4].

7. نتیجه‌گیری
در این مقاله مروری بر توسعه فوتوکاتالیست TiO2 و چشم انداز آینده از جنبه‌ی علمی و فناوری توضیح داده شده است. جالب است بدانید که تحولات عمده در 30 سال گذشته هر کدام در یک دهه رخ داده است. یعنی فوتوالکترولیز آب اثر فوجی شیما-هوند در اوایل دهه 1970، تولید هیدروژن در دهه 1980 و اثر فوتوکاتالیستی و هیدروفیلی TiO2 در سال 1990 مشخص شد. علاوه بر این، این دانش هنوز در قرن 21 در حال توسعه‌ی بیشتر است.
ما باور داریم فتوکاتالیست TiO2 یکی از بهترین مثال‌هایی است که نشان می‌دهد چگونه در یک مقیاس زمانی از ده‌ها سال، بتوان پایه دانش علمی را به حوزه‌ی فناوری توسعه یافته وارد کرد و یک صنعت جدید ارمغان آورد.


filereader.php?p1=main_e32caaec0cadf6e92
شکل6. سیستم تصفیه خاک آلوده با استفاده از انرژی خورشیدی و فوتو‌کاتالیست TiO2

منابـــع و مراجــــع

1. W. Barthlott, C.Neihuis,Planta, Vol.1, (1997).

2. http://en.wikipedia.org/wiki/Lotus_effect

3. M.Stamate, G. Lazar, Romanian technical sciences academy, Vol. 3, (2007).

4. K. Hashimoto,H. Irie, A. Fujishima, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 12, (2005).

5. A. Linsebigler, L. Guangquan, J. Yates, Jr., Chem. Rev. Vol.95, (1995).

6. A. Fujishima, X. Zhang, D. A. Tryk, Surface Science Reports, Vol.63, (2008).

7. J. Gamage, Z. Zhang, Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy, Vol.2010, (2010).

8. Sh.Lu, D.Wu, Q.Wang, J.Yan, A.G. Buekens, K. Cen, Chemosphere, Vol.82, (2011).

9. S. N. Nalwa, Handbook of advanced Electronic and photonic Materials and Devices, Vol.5, USA: Acadmic press 2001.

10. T. Ochiai, A. Fujishima, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, Vol. Xxx, (2012).

11. K. H. Kim, S. K. Ihm, Journal of Hazardous Materials, Vol.186, (2011).

12. A. Menard, D. Drobne, A. Jemec, Environmental Pollution, Vol.159, (2011).

13. M. Pelaez, N. T. Nolan, S. C. Pillai, M. K. Seery, P. Falaras, A. G. Kontos, P. S.M. Dunlop, J. W.J. Hamilton, J.A. Byrne, K. O’Shea, M. H. Entezari, Dionysios D. Dionysiou, Applied Catalysis B: Environmental, Vol.125, (2012).

نظرات و سوالات

نظرات

4 -1

یاسین محمد ولی - ‏۱۳۹۴/۱۲/۱۳

عالی بو د