برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۸/۱۹ تا ۱۳۹۷/۰۸/۲۵

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱۷,۱۹۵
  • بازدید این ماه ۳۱۸
  • بازدید امروز ۰
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۱۷
  • قبول شدگان ۹۴
  • شرکت کنندگان یکتا ۵۹
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۷۸
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

طرح درس

منابع پیشنهادی هشتمین مسابقه ملی-عناوین کلی

نویسندگان
کلمات کلیدی
امتیاز کاربران

نانوکاتالیست‌های پیشرفته

توسعه سریع روش‌های تولید نانوساختارها موجب پدیدار شدن انواع پیشرفته نیمه‌هادی‌های نانومقیاس شده‌است. از میان مواد فوتوکاتالیستی که برای از بین بردن آلودگی‌های آلی و معدنی استفاده می‌شود، می‌توان به: ZnO ،Fe2O3 ،WO3 ،MoS2 ،TiO2 و CdS اشاره کرد. امروزه ویژگی‌های منحصربه‌فرد نانوذرات نظیر نسبت سطح به حجم بالا و اثرات کوانتومی موجب شده تا اهمیت و نقش فوتوکاتالیستی این ترکیبات در حوزه‌هایی نظیر محیط‌زیست، کنترل بو، استریل کردن و انرژی‌های تجدید‌پذیر افزایش یابد. کنترل ابعاد، شکل، ترکیب شیمیایی و میکروساختار نیمه‌هادی‌ها موجب شده تا بتوان از این دسته از مواد در حوزه‌های ذکر شده در بالا استفاده کرد. این مقاله مروری به بررسی آخرین پیشرفت‌های انجام شده در محل تلاقی دو حوزه علم نانو و فوتوکاتالیست‌ها می‌پردازد. در این مقاله تأکید ویژه‌ای روی توسعه فوتوکاتالیست‌ها برای استفاده در بخش محیط‌زیست وجود دارد.
1. مقدمه
TiO2 ماده‌ای است که در برخی تحقیقات به‌عنوان نانوکاتالیست استفاده می‌شود. همان‌طور که در بخش (2-3) توضیح داده می‌شود، این ماده ویژگی‌های مورد نیاز برای یک نانوکاتالیست نیمه‌هادی را داراست. TiO2 دارای کاربردهای متنوعی در حوزه‌های مختلف بوده و تولید با کیفیت بالای آن ساده است. بنابراین این ماده به شدت مورد توجه محققان است. از این‌رو کاملا طبیعی است که در بیشتر قسمت‌های این مقاله به نانوخوشه‌های اکسید تیتانیوم پرداخته شود و خواننده نباید تصور کند که اکسید تیتانیوم تنها ماده‌ای است که می‌تواند استفاده شود. همان‌طور که در بخش (5) این مقاله آمده، برای استفاده از دیگر مواد باید تحقیقات بیشتری انجام شود.
آلودگی آب‌وهوا یکی از مشکلات اصلی محیط‌زیست در سراسر جهان است، از این‌رو در دهه گذشته احیاء محیط‌‌زیست و زدودن آلودگی از آن، یکی از اولویت‌های جهانی و ملی بوده است. یکی از روش‌های از بین بردن آلودگی‌ها استفاده از نانوفوتوکاتالیست‌ها است. برای تولید فوتوکاتالیست‌ها باید مواد فلزی و نیمه‌هادی توده‌ای را به مواد کلوئیدی (10 تا 100 نانومتر) و نانوخوشه‌ها (کمتر از 10 نانومتر) تبدیل کرد.
بحران نفت در دهه 70 میلادی موجب تشدید علاقه به فوتوکاتالیست‌ها شد. جستجو برای انرژی جایگزین موجب شد تا فوجیشیما و هندا موفق به تولید گاز هیدروژن با استفاده از الکترولیز آب با الکترود اکسید تیتانیوم شوند (یک سل فوتوالکتروشیمیایی). اکسید تیتانیوم آناتاز، به‌عنوان یک ماده نیمه‌های برای تولید انرژی و همچنین احیاء محیط‌زیست مورد تحقیق قرار گرفته است. دلیل این امر دسترسی آسان، طبیعت غیرسمی و پایداری در برابر نور است. امروزه از این ماده برای خالص‌سازی آب، هوا، کنترل بو و استریل کردن استفاده می‌شود.
رفتارهای کاتالیستی مواد تنها به جنس ماده وابسته نبوده بلکه به ابعاد آن نیز بستگی دارد. هنگلین نشان داد که یک نانوماده می‌تواند رفتارهای متفاوتی نسبت به حالت توده‌ای خود داشته باشد. محدودیت کوانتومی و پدیده‌های سطحی مبتنی بر اندازه ذرات، می‌تواند خواص مواد در مقیاس نانو را تعیین کند. علم نانو به دانشمندان کمک می‌کند تا خواص فیزیکی مواد را از طریق کنترل سطوح انرژی الکترونیکی آنها بهبود دهند؛ این کار با استفاده از اندازه کوانتومی و اثرات سطحی ماده انجام می‌شود.
به‌دلیل‌ این‌که حوزه‌های انرژی‌های تجدیدپذیر، احیاء محیط‌زیست، فوتوکاتالیست و علم نانو اهمیت زیادی دارند، مقالات مروری متعددی تاکنون در این حوزه‌ها منتشر شده‌است. هنگلین در سال‌های 1989 و 1988 دو مقاله مروری بسیار مهم به رشته تحریر در آورده که این مقالات به بررسی خواص فوتوفیزیکی نیمه‌هادی‌های نانومقیاس می‌پردازد. گراتزل با انتشار مقاله مروری در مورد خواص فوتوشیمیایی نیمه‌هادی‌های کلوئیدی در سال 1989‌ این موضوع را دنبال کرد. هاگفلدت در سال 1995 مقاله مروری در مورد واکنش‌های فوتوردوکس سیستم‌های نانوبلوری ارائه کرد. از سال 1995 برخی گروه‌های تحقیقاتی به بررسی اثر ابعاد کوانتومی نانومواد در حوزه انرژی و محیط‌زیست پرداختند. آنها به دنبال نقش نانوذرات در فوتوکاتالیست‌ها بودند. در نهایت در سال 2005 آبرام و ویلکوکسون به بررسی نقش پیشرفت‌های انجام شده در حوزه فوتوکاتالیست‌ها و علم نانو پرداختند. این گروه روی رابطه میان محدودیت کوانتومی و اثرات سطحی و همچنین کاربردهای MoS2 تمرکز ویژه‌ای داشتند.
ما در این مقاله به بررسی مثال‌هایی از نانوکاتالیست‌های نیمه‌هادی به‌کاررفته در فوتوکاتالیست‌ها و راه‌های افزایش کارایی آنها خواهیم پرداخت. در بخش (2) ما مفاهیم کلیدی و بنیادین فوتوکاتالیست‌ها و علم‌نانو را مطالعه خواهیم کرد. قلب و روح این مقاله در بخش (3) نهفته است؛ جایی که ما آخرین دستاوردهای حوزه نانوکاتالیست را ارائه می‌کنیم. در بخش (4) نیز روی کاربردهای فعلی و آینده نانوکاتالیست‌ها بحث خواهیم کرد و در بخش (5) چالش‌های موجود در حوزه فوتوکاتالیست‌ها و نانوکاتالیست‌ها را مرور می‌کنیم.

2. اساس فوتوکاتالیست‌ها و نانوکاتالیست‌ها
1.2. مقدمه‌ای بر فوتوکاتالیست
عبارات و واژه‌های مختلفی در حوزه فوتوکاتالیست وجود دارد. فوتواکسیداسیون و فوتواحیاء به فرآیندهای اکسید و احیاء شدنی گفته می‌شود که با استفاده از نور انجام گیرد. حساس‌سازی با نور نیز از دیگر عبارت‌های این حوزه است. جدایی بارها در نانوذرات نیمه‌هادی زمانی اتفاق می‌افتد که نور موجب برانگیختگی باند گپ ‌شود. الکترون‌ها و حفره‌های تولید شده با نور می‌تواند موجب اکسید یا احیاء شدن زیرلایه شود (شکل 1.a). نانوخوشه‌ها می‌توانند به‌عنوان یک واسطه در فرآیند انتقال بار میان دو مولکول عمل کرده و موجب آغاز واکنش فوتوکاتالیستی ‌شوند (شکل 1.b). این فرآیند به کرات در فوتوالکتروشیمی و حوزه تصویربرداری استفاده می‌شود. در حالت اول، انتقال بار در سطح، میان الکترولیت و نیمه‌هادی اتفاق می‌افتد که در آن باند گپ نانوذرات نیمه‌هادی برانگیخته می‌شود. در حالت دوم، نانوذرات نیمه‌هادی با پذیرش الکترون یا انتقال بار به زیرلایه دیگر یا ایجاد جریان، موجب از بین رفتن حالت برانگیختگی می‌شود. کلمه فوتوکاتالیستی، به لحاظ فنی، زمانی مورد استفاده قرار می‌گیرد که یک کاتالیست بعد از انجام فرآیند، دوباره به حالت اولیه خود باز گردد. ما در این مقاله مثال آبرام و ویلکوکسون را ارائه کرده و هر دو حالت بالا را به‌عنوان فوتوکاتالیست مورد بحث قرار می‌دهیم.

filereader.php?p1=main_59c60e16558c5907a
شکل1. فرآیند انتقال بار تحریک شده با نور در یک نانوخوشه نیمه‌هادی. (A) برانگیختگی زیر باند گپ، (B) تزریق بار حساس شده با تحریک مولکول‌های رنگی جذب شده. CB و VB باندهای هدایت و ظرفیت هستند.

نیمه‌هادی‌های مختلفی می‌توانند به‌عنوان فوتوکاتالیست در فرآیندهای تبدیل شیمیایی مواد استفاده شوند که دلیل این امر، وجود موادی با ساختارهای الکترونیکی منحصربه‌فرد، نظیر؛ TiO2 ،ZnO ، Fe2O3 ،WO3 و CdS است. چنین موادی دارای یک باند ظرفیت پر بوده و یک باند هدایت خالی دارند. این مواد نیمه‌هادی جامد، فوتون‌ها (معمولا تابش‌های فرابنفش) را جذب می‌کنند. زمانی‌که انرژی فوتون برابر یا بیشتر از باند گپ نیمه‌هادی باشد، می‌تواند یک الکترون را از باند ظرفیت برانگیخته کرده و به باند هدایت ‌برساند. این کار موجب تشکیل یک فضای خالی برای الکترون می‌شود که دارای بار مثبت بوده و حفره (+h) نامیده می‌شود. این حفره در باند ظرفیت تشکیل شده و رابطه زیر برای آن برقرار است:

filereader.php?p1=main_572e9f9e8f7c4e75f

الکترون نیمه‌هادی به یک ترکیب جاذب منتقل می‌شود. به شکل ساده‌ای می‌توان این گونه بیان کرد که نیمه‌هادی، اکسید کرده و ترکیب جاذب احیاء می‌شود (شکل 2).
عمر جفت الکترون-حفره تنها چند نانوثانیه است. اما، همین زمان برای انجام واکنش‌های اکسیداسیون احیاء کافی است. با این‌حال واکنش‌های دیگری نیز در اثر انتقال جفت الکترون - حفره انجام می‌شود؛ برای مثال الکترون و حفره می‌توانند با هم ترکیب شده و انرژی گرمایی ایجاد کنند. به‌طور معمول، حفره آب را اکسید کرده و آن را به رادیکال هیدروکسیل تبدیل می‌کند یا با یک گونه گیرنده الکترون ترکیب شده و الکترون نیز وارد یک مولکول گیرنده می‌شود. زمانی‌که آب اکسید می‌شود، واکنش‌های بعدی می‌تواند موجب اکسید شدن ترکیبات آلی شود. اگر الکترون با یک مولکول اکسیژن ترکیب شود، موجب تشکیل رادیکال پراکسید می‌شود. زمانی‌که با یک یون فلزی ترکیب شود، این یون می‌تواند به حالت پایین‌تر احیاء شده و روی سطح کاتالیست نشست کند. اگر این گونه‌ها روی یک سطح جذب شوند، فرآیند انتقال الکترون بسیار کاراتر خواهد شد.

2.2. مروری بر فوتوکاتالیست‌ها به ‌عنوان ابزاری برای احیاء محیط‌زیست
2.2.1. شیمی بنیادین
کاراکیتسو و وریکیسو نمایی برای از بین بردن آلودگی‌های آلی موجود در آب با استفاده از فوتوکاتالیست‌ها ارائه کردند. این گروه فرض کردند که رادیکال هیدروکسیل (-OH)، اولین اکسیدان در سیستم فوتوکاتالیستی بوده و چهار مرحله زیر را که در آنها یون هیدروکسیل حمله‌کننده بوده و عامل سم‌زدایی است، ارائه کردند:
فوتون‌های با انرژی بالاتر از باند گپ، موجب برانگیختگی کاتالیست شده و الکترون و حفره تولید می‌کند:

filereader.php?p1=main_8c5c746fe6a60d9b6

یک مولکول آلی (R1) روی سطح کاتالیست (R1ads) جذب می‌شود که این کار از طریق اکسیژن شبکه (O2-L) روی سطح انجام می‌شود.

filereader.php?p1=main_b7f66bee805b9594b

الکترون و حفره می‌توانند با هم ترکیب شده و گرما ایجاد کنند:

filereader.php?p1=main_eafacef4e289e4cae

الکترون و حفره به دام افتاده‌اند:


filereader.php?p1=main_6c363a8710a6c0480

همچنین کاراکیتسو و وریکیسو فرض کردند که در مواردی که رادیکال هیدروکسیل هم جذب شده و هم آزاد است، می‌تواند به مولکول‌های آلی جذب شده و آزاد حمله کند.

filereader.php?p1=main_94fc5485dbde962a8

در مورد بقیه رادیکال‌ها، واکنش‌های زیر صادق است:

filereader.php?p1=main_7096166fa5fe0713b

در پایان، مثالی از چگونگی احیاء یون فلزی با استفاده از الکترون موجود در باند هدایت آورده می‌شود:

filereader.php?p1=main_6ef9b159b34c05ae0

نیمه‌هادی‌های مورد استفاده در فوتوکاتالیست‌ها باید دارای ویژگی‌های خاصی باشند. ترکیب شیمیایی ‌یک فوتوآند، یا فوتوکاتالیست باید به‌گونه‌ای باشد که امکان معکوس کردن حالت ظرفیت در آن وجود داشته باشد؛ با این کار حفره‌ها را می‌توان با این فوتوآند جمع‌آوری کرد بدون این‌که تجزیه شود. برای مثال می‌توان به واکنش غیراستوکیومتری TiO2 اشاره نمود که در آن Ti3+→Ti+4 تبدیل می‌شود. همچنین عناصر نیمه‌هادی باید بیش از یک حالت ظرفیت پایدار داشته باشند. بنابراین از Cd+2 در CdS یا از Zn+2 در ZnO نمی‌توان استفاده کرد؛ زیرا این مواد با تشکیل حفره، از بین می‌روند. یکی دیگر از ویژگی‌های مهم در انتخاب نیمه‌هادی، داشتن باند گپ مناسب و پایداری در برابر خوردگی نوری است. طبیعت غیرسمی، پایداری در شرایط واکنشی مختلف و هزینه کم، از دیگر ویژگی‌های مورد نیاز برای انتخاب یک ماده برای استفاده در کاتالیست‌ها است. TiO2، تمام این شرایط را داراست به همین دلیل از این ماده در بیشتر واکنش‌های نوری استفاده می‌شود. البته ترکیبات دیگری نظیر CdS، MoS2 ،ZnO ، ZrO2 ،Fe2O3 و WO3 وجود دارند که پتانسیل به‌کارگیری در فرآیندهای فوتوکاتالیستی را دارا هستند.

3.2. مروری بر خواص مواد نانوکاتالیست
اولین مقاله مربوط به فرآیندهای اکسیداسیون احیاء نانوسیستم‌ها با استفاده از نور، در سال 1981 منتشر شد. پس از آن سیستم‌های نانوکاتالیستی اکسیدی، سولفیدی و سلنیدی، نظیر TiO2 ،ZnO ، WO3 ،V2O5 Ag2O ،ZnS ،CdS ،PbS ،Cu2C ،MoS2 و Cds مورد مطالعه قرار گرفت. در طول یک دهه گذشته فوتوشیمی ذرات نیمه‌هادی نانومقیاس، به‌عنوان یکی از رشته‌های تحقیقاتی، به سرعت در حال رشد بوده است. این علاقه به‌دلیل ویژگی‌های فوتوفیزیکی و فوتوکاتالیستی منحصربه‌فرد ذرات نیمه‌هادی نانومقیاس بوده که نسبت به حالت توده‌ای از خواص بهتری برخوردار بوده است. این مواد دارای شیمی فوتوردوکس پیشرفته‌ای بوده به‌طوری که تنها در صورتی که ابعاد آنها در مقیاس نانو باشد، این ویژگی‌ها بروز خواهد کرد.

filereader.php?p1=main_0e09d40989f757460
شکل2. سازوکار فوتوکاتالیستی: این دیاگرام نحوه تشکیل حفره‌ها و الکترون‌ها را در اثر تابش به سطح نیمه‌هادی نشان می‌دهد.

با کوچک‌تر شدن ابعاد ذرات نیمه‌هادی، تعداد اتم‌های قرار گرفته در سطح، افزایش یافته و سبب افزایش نسبت سطح به حجم می‌شود. با این کار، دسترسی به سایت‌های فعال بیشتر شده و نرخ انتقال حاملین بار افزایش می‌یابد. یک مشکل در اینجا وجود خواهد داشت، و آن این است که تنها درصد کوچکی از پرتوهای چند رنگی نور خورشید می‌تواند در این فرآیند استفاده شود که دلیل آن در ذیل توضیح داده می‌شود: 
ذرات نانومقیاس با ابعاد یک تا ده نانومتر و خوشه‌های نانومقیاس (نانوخوشه‌ها)، خواص انتقالی بین فاز توده‌ای و مولکولی را به نمایش می‌گذارند. بنابراین، لازم است واژه‌های‌ جدیدی از مکانیک کوانتوم، وارد حوزه فیزیک حالت جامد نانومقیاس شود. برای مثال، ترازهای انرژی جدا از هم جایگزین ساختار باند می‌شود. در مواد توده‌ای، زمانی‌که نور، الکترون‌ها را تحریک می‌کند، این الکترون‌ها در تراز هدایت جمع می‌شوند اما، انرژی الکترون‌ها با هم متفاوت خواهد بود. در نانوذرات به‌دلیل محدودیت ابعاد، تعداد حالت‌های تراز هدایت کاهش می‌یابد. بنابراین، جفت الکترون-حفره در ذره، تنها زمانی تشکیل می‌شود که فرض کنیم ذره دارای حالت انرژی سینتیکی بالاتری نیز باشد. چنین چگالی ترازهایی بسیار ویژه بوده و تنها در مقیاس نانو وجود دارد.

1.3.2. ابعاد بحرانی و باند گپ
ابعاد بحرانی اثرات کوانتومی در ذرات نیمه‌هادی، تنها زمانی وجود دارد که ذره، کوچک‌تر از شعاع نور اولین حالت برانگیختگی خود باشد. برای مثال، TiO2 دارای قطر بحرانی 10 نانومتری است. انتقال الکترونیکی چنین ذراتی در نانوخوشه‌ها (نانوکاتالیست‌ها)، رفتاری شبیه بالاترین اوربیتال‌های مولکولی اشغال شده (HOMOs) و پایین‌ترین اوربیتال مولکولی اشغال شده (LUMOs)، دارد. برای مثال در محلول‌های کلوئیدی طلا و نقره، محدودیت ابعاد موجب می‌شود تا استراحت الکترونیکی آهسته‌تر انجام شود؛ دلیل این امر، کاهش انتقال الکترون‌های غیرتعادلی و جفت‌شدن فوتون- الکترون است.
علاوه‌براین، در نتیجه تغییر خواص الکترونیکی، اندازه ذرات روی خواص نوری ذرات، تأثیرگذار خواهند بود. باهنمان و همکارانش خواص نوری ذرات نیمه‌هادی را با استفاده از اوربیتال مولکولی توضیح دادند. در طول رشد ذرات TiO2 از نمونه توده‌ای، اوربیتال‌های مولکولی تعداد زیادی از مولکول‌ها، هم‌پوشانی داده و فاصله انرژی میان HOMO و LUMO کاهش می‌یابد. چنین تغییری در نتیجه انتقال قرمز (طول موج‌های بلندتر)، به‌وجود می‌آید. درصورت کاهش ابعاد، افزایش انرژی انتقال نوری اتفاق می‌افتد.

filereader.php?p1=main_817682bbfdbc2668c
شکل3. طیف جذب DcS در محلول آبی: ابعاد ذرات متفاوت است.

با کوچک‌تر شدن ذرات، باند گپ آنها رشد کرده و بزرگ‌تر می‌شود. سطوح باند ظرفیت، کمی به سوی انرژی‌های پایین‌تر منتقل شده در حالی که سطوح باند هدایت، به شدت به سمت انرژی‌های بالاتر منتقل می‌شود. با این کار انرژی مورد نیاز برای برانگیختگی الکترون افزایش می‌یابد، در نتیجه با بازگشت الکترون به حالت پایه، انرژی بیشتری آزاد می‌شود. آزمایش‌های انجام شده روی تغییر طیف جذب مواد مختلف، این پدیده را تایید می‌کند. شکل (3) اثر اندازه ذرات سولفید کادمیم را در محلول آبی نشان می‌دهد. با کوچک شدن ذرات، تنها طول موج‌های با انرژی بالاتر جذب می‌شوند. شکل (4) نیز آستانه حد جذب را به‌عنوان تابعی از اندازه ذرات، درCdS ،ZnO و PbS نشان می‌دهد.
از نقطه نظر ریاضی، در نانوکاتالیست‌ها افزایش انرژی باندگپ (EBG∆) با شعاع ذره، جرم موثر کاهش یافته، برانگیختگی (µ) و ثابت دی‌الکتریک (ɛ) نیمه‌هادی تغییر می‌کند. معادله زیر چگونگی ارتباط میان جرم موثر حاملین بار mh و me را نشان می‌دهد:

filereader.php?p1=main_2811d2925ec2f4767
در نتیجه، EBG∆  به‌شدت به جرم موثر الکترون‌ها و حفره‌ها وابسته است:

filereader.php?p1=main_506ca179d17803a9d

نتایج برخی مطالعات روی نانوکاتالیست‌ها، نشان می‌دهد که فعالیت نوری آنها با حالت توده‌ای‌شان متفاوت است. مطالعات دیگری هم وجود دارد که این موضوع را رد می‌کند. شواهد فعلی حاکی از این است که اندازه ذرات نقش مهمی در فعالیت نانوکاتالیست‌ها دارد. برای رسیدن به خواص الکتریکی کوانتومی و محدودیت فضای حاملین بار، برای مثال در اکسید تیتانیوم، ذرات باید حداکثر 10 نانومتر قطر داشته باشند. هر چند که ذرات بسیار کوچک‌تر، فعالیت نوری واقعی اندکی دارند. ژانگ و همکارانش توضیح دادند که چرا برای سیستم‌های نانوکاتالیستی، یک اندازه ذره بهینه باید وجود داشته باشد. اول این‌که، ترکیب حاملین بار در ذرات با ابعاد بزرگ، قابل انجام است. با کاهش ابعاد، این اثر کاهش یافته و مقدار مساحت سطحی قابل دسترسی برای سایت‌های فعال سطحی افزایش می‌یابد. از نقطه نظر تئوری، به دلیل افزایش نرخ انتقال حاملین بار، کارایی فوتونیک افزایش می‌یابد. هرچند با کاهش ابعاد ذرات، به زیر یک محدوده خاص، فرآیند ترکیب سطحی غالب می‌شود؛ بیشتر جفت‌های الکترون حفره، در نواحی نزدیک به سطح تولید شده و فرآیند بازترکیب سطحی به‌سرعت اتفاق می‌افتد. بنابراین، یک اندازه ذره بهینه برای داشتن بالاترین کارایی فوتوکاتالیستی وجود خواهد داشت.

filereader.php?p1=main_aa9dc1dafd945a25e
شکل4. تابع طول موج حد جذب برحسب ابعاد ذرات سولفید کادمیم، اکسید روی، سولفید سرب
سمت راست: انرژی باندگپ. فاصله انرژی مواد ماکروبلوری در پرانتز قید شده است.

آبرامز و ویلکوسون مقاله مروری را درباره چگونگی تولید نانوخوشه‌ها در سال 2005، منتشر کردند. لیو و همکارانش نیز، شکل و ابعاد نانوذرات اکسید تیتانیوم را با استفاده از سورفاکتانت‌های مختلف، کنترل کردند. این گروه با استفاده از سورفاکتانت‌های متفاوت، توانستند ساختارهای کروی، مکعبی، بیضوی و میله‌ای از جنس اکسید تیتانیوم ایجاد کنند. نوع مکعبی این نانوذرات، انتقال قرمز در ناحیه فرابنفش-مرئی، از خود نشان داد. این کار موجب کاهش انرژی مورد نیاز برای فوتوکاتالیست شده که بسیار فایده‌بخش است.
دو تحقیق مختلف نشان داده است که ابعاد بهینه اکسید تیتانیوم در سیستم نانوخوشه‌ای، 10 تا 14 نانومتر است. وانگ و همکارانش روی تجزیه کلروفرم مطالعه کردند. نتایج نشان داد که با کاهش ابعاد ذرات، از 21 به 11 نانومتر، کارایی نوری بهبود می‌یابد. زمانی‌که ابعاد کوچک‌تر شوند و به 6 نانومتر برسند، دوباره کارایی پایین می‌آید. این گروه نشان دادند که ابعاد بهینه ذرات، 10 نانومتر است. کوچی و همکارانش روی احیاء فوتوکاتالیستی دی‌اکسید کربن مطالعه کردند. نتایج نشان داد که با کاهش ابعاد، محصول متان و متانول بیشتری تولید می‌شود. اما، زمانی‌که ذرات خیلی کوچک شوند، بهره تولید کاهش می‌یابد. ابعاد بهینه ذرات، برای رسیدن به مقدار بهینه کارایی، 14 نانومتر است. مطالعات بیشتر روی ابعاد بهینه دیگر نانوکاتالیست‌ها می‌تواند کاربردهای آنها را بهبود دهد.

4.2. تعیین نانوکاتالیست‌هایی با ابعاد بهینه
فوتوکاتالیست‌ها، ابزارهای بسیار مناسبی برای زدایش آلودگی‌های شیمیایی هستند، با این حال می‌توان کارایی آنها را بهبود داد. سه راهبرد اصلی برای بهبود فعالیت فوتوکاتالیستی وجود دارد: تنظیم باند گپ یا افزایش دامنه طول موج برانگیختگی به‌وسیله‌ حساس کردن با نور، افزایش زمان بازترکیب حاملین بار، بهبود کیفیت سایت‌های فعال سطح برای افزایش واکنش‌های جذب.
نانوخوشه‌های اکسید تیتانیوم، دارای کاربردهای متعددی هستند که این موضوع به خواص نوری ماده بستگی دارد. هنوز استفاده از نانوکاتالیست‌های اکسید تیتانیوم با کارایی بالا، به مرحله عملی نرسیده است. دلیل این امر وجود باند گپ پهن در این ماده است که نیاز به انرژی بالایی دارد. شکل (5)، باند گپ اکسید تیتانیوم توده‌ای را نشان می‌دهد که در منطقه فرابنفش قرار دارد. (3 الکترون‌ولت برای فاز روتیل و 3.2 الکترون‌ولت برای فاز آناتاز)، که کمتر از 10 درصد از انرژی خورشید است. بنابراین، یکی از اهداف در بهبود عملکرد نانوکاتالیست اکسید تیتانیوم، انتقال محدوده پاسخ‌دهی از طول موج‌های فرابنفش به منطقه نور مرئی است. فناوری نانو می‌تواند به این کار کمک کند.
راه‌های متعددی برای رسیدن به این هدف وجود دارد، در این مقاله ما این روش‌ها را مورد بررسی قرار می‌دهیم. اولین روش، دوپ شدن نانوساختارهای اکسید تیتانیوم با دیگر عناصر است که موجب تغییر خواص الکترونیکی اکسید تیتانیوم شده و در نهایت پاسخ نوری آن را تغییر می‌دهد. دومین روش، حساس کردن اکسید تیتانیوم با مواد آلی یا معدنی رنگی است که می‌تواند فعالیت نوری اکسید تیتانیوم را در منطقه نور مرئی، بهبود دهد. سومین روش، جفت شدن نوسانات انتخابی الکترون در باند هدایت نانوذرات فلزی با این نوسانات در باند نانوساختارهای اکسید تیتانیوم در نانوکامپوزیت فلز/اکسید تیتانیوم است که موجب بهبود عملکرد می‌شود. در نهایت، اصلاح سطح نانوکاتالیست‌های اکسید تیتانیوم با نیمه‌هادی‌ها می‌تواند خواص انتقال بار را میان اکسید تیتانیوم و محیط اطراف تغییر دهد، بنابراین عملکرد ادوات مبتنی بر نانوساختارهای اکسید تیتانیوم بهبود می‌یابد.

3. توسعه نانوکاتالیست‌ها
مایلز و هافمن معتقداند که دوپ شدن کاتالیست با یک ماده مناسب می‌تواند عملکرد آن را بهبود دهد. چوی و همکارانش به‌صورت سازماند‌هی شده روی دوپ شدن با یون فلزی در نانوخوشه‌های اکسید تیتانیوم (2-4 نانومتر) مطالعه کردند. این کار با اندازه‌گیری تغییرات فعالیت نوری و دینامیک بازترکیب حاملین بار انجام شد. آنها دریافتند که فعالیت اکسید تیتانیوم آلاییده، تابع پیچیده‌ای از غلظت دوپ‌ کننده و سطوح انرژی دوپ‌ کننده در شبکه بلوری اکسید تیتانیوم، پیکربندی الکترونیکی، توزیع دوپ‌ کننده، غلظت‌ دهنده الکترون و شدت نور است.

1.3. دوپ شدن
فلزات مختلفی برای دوپ شدن نانوساختارهای اکسید تیتانیوم، مورد استفاده قرار گرفته‌اند. به‌صورت تجربی مشخص شده‌است که فلزات نجیب، مانند یک سینک حاملین بار عمل می‌کنند و این فرآیند، انتقال بار را تسریع می‌کند. مایلز و هافمن، با تابش پرتو به نانوذرات اکسید تیتانیوم این موضوع را مورد بررسی قرار دادند. پلاتین و پالادیم موجود در سطح اکسید تیتانیوم به‌صورت یک آند انتقالی عمل کردند. آنها این پدیده را با استفاده از واکنش اکسیداسیون زیر تعریف کردند: 

filereader.php?p1=main_44098938c7804e3f3

دوپ شدن یون فلزی انتخابی نانوبلورهای اکسید تیتانیوم، واکنش انتقال بار میان سطحی را بهبود می‌دهد. شکل (6)، چگونگی تماس فلز با نیمه‌هادی را نشان می‌دهد. این شکل، تأثیر فرآیند انتقال بار میان سطحی دلخواه را نیز به تصویر می‌کشد. یون فلزی، الکترون و حفره را به دام می‌اندازد و مانع از بازترکیب جفت‌ الکترون - حفره می‌شود. این کار به خنثی‌سازی فرآیند کمک می‌کند، در حالی‌که ترکیب آلی در حال تجزیه است.
بهبود عملکرد نانوکاتالیست‌ها با دوپ شدن، به‌صورت عملی نیز ثابت شده‌است. کاراوی و همکارانش، تیتانیوم چندبلوری آلاییده با کروم را برای استفاده در احیاء نوری گاز نیتروژن و تولید آمونیاک، مورد استفاده قرار دادند. این فرآیند، در محل تماس جامد-گاز انجام شده و در سطح تماس جامد-مایع فنل تجزیه می‌شود. یون کروم سه ظرفیتی، موجب بهبود جداسازی الکترون حفره می‌شود که این کار با اعمال یک میدان الکتریکی دائمی انجام می‌شود. چوی و همکارانش روی دوپ شدن نانوذرات اکسید تیتانیوم با استفاده از سل-ژل‌های یون فلزی کار کردند و دریافتند دوپ شدن با یون فلزی می‌تواند تأثیر شگرفی روی فعالیت نوری، نرخ بازترکیب حاملین بار و نرخ انتقال الکترون در محل تماس داشته باشد.

filereader.php?p1=main_65d6fdace45919e89
شکل5. طیف خورشیدی در سطح دریا و بالاترین نقطه آسمان (منطقه زِنیت). نمودار نشان می‌‌دهد، اکسید تیتانیوم توده‌ای دوپ نشده، محدودیت‌های جذب زیادی دارد.

لی و همکارانش با استفاده از فرآیند سل ژل، موفق به دوپ شدن اکسید تیتانیوم با La+3 شدند. آنها دریافتند لانتانیوم، سبب ممانعت از انتقال فاز در اکسید تیتانیوم می‌شود که سبب بهبود پایداری حرارتی، کاهش ابعاد بلور و افزایش مقدار یون Ti+3 می‌شود. ناگاوین و همکارانش با استفاده از احتراق محلولی، موفق به ساخت نانوذرات اکسید تیتانیوم آناتاز آلاییده با یون مس، آهن، زیرکونیم، سلنیم، وانادیم و تنگستن شدند. آنها دریافتند دوپ شدن موجب محدود شدن تشکیل فاز جامد در نواحی آلاییده، می‌شود. وانگ و همکارانش موفق به تولید نانوذرات اکسید تیتانیوم آلاییده با آهن و Nd+3 با روش گرمابی (Hydrothermal method) شدند. آنها دریافتند اگر غلظت آهن کمتر از 0.5 درصد باشد، فازهای آناتاز، بروکیت و مقادیر کمی از هماتیت در pHهای پایین (بین 1.8 تا 3.6) در کاتالیست وجود خواهد داشت و یون‌های آهن به‌صورت غیریکنواخت بین ذرات وجود خواهد داشت.
بسخود و همکارانش به بررسی نانوذرات اکسید تیتانیوم آلاییده با عناصر قلیایی (لیتیم، سدیم و پتاسیم) پرداختند که با استفاده از فرآیند سل ژل و فناوری‌های باردار کردن، تهیه شده بود. نتایج نشان داد، سطوح بلوری این نانوذرات به شدت بستگی به طبیعت و غلظت ذرات قلیایی دارد. اکسید تیتانیوم آلاییده با لیتیم، دارای ساختار بلوری مناسبی بوده و سهم کمتری در این ساختار به اکسید تیتانیوم آلاییده با پتاسیم اختصاص دارد. وانگ و همکارانش با استفاده از پیرولیز اکسیدی مواد آلی‌فلزی در پلاسمای گرمایی فرکانس تابشی، موفق به سنتز نانوذرات آلاییده با آهن سه ظرفیتی شده‌اند. نتایج نشان داد در این محصول، تشکیل فاز روتیل بیشتر از دیگر فازها بوده است.
با همه یون‌های فلزی نمی‌توان فرآیند دوپ شدن را انجام داد. چوی و همکارانش فیلم‌های اکسید تیتانیوم آلاییده با Sn+4 را با استفاده از روش CVD پلاسمایی تولید کردند. نتایج نشان داد، نقص‌های سطحی در محصولات به‌دست آمده با این روش افزایش یافته است. کراچیا و همکارانش نانوخوشه‌های اکسید تیتانیوم آلاییده با عناصر کبالت، آهن، وانادیم و کروم را سنتز کردند. این کار با روش CVD مجهز به پرتو یونی انجام شد. نتایج نشان داد، بسته به نوع کاتیون و مقدار آن، بعد از عملیات حرارتی، جدایی جزئی کاتیون‌ها در M2On اتفاق می‌افتد.

2.1.3. دوپ شدن یون غیرفلزی
دوپ شدن یون فلز انتقالی و دوپ شدن یون غیرفلزی، پاسخ اکسید تیتانیوم را در منطقه نور مرئی، بهبود می‌بخشد. عناصر غیرفلزی مختلفی نظیر کربن، نیتروژن، گوگرد، فلوئور و بور با موفقیت برای دوپ شدن نانوخوشه‌های اکسید تیتانیوم استفاده شده‌است. روش‌های آماده‌سازی نانوساختارهای اکسید تیتانیوم آلاییده با غیرفلزات می‌توانند به سه گروه تقسیم شوند: شیمی تر، عملیات حرارتی با دمای بالا و کاشت یونی در نانومواد اکسید تیتانیوم. روش‌های شیمی‌تر، معمولا شامل هیدرولیز تیتانیوم در مخلوطی از آب و دیگر معرف‌ها است که باید یک عملیات حرارتی نیز انجام شود.
برای دوپ شدن نانوکاتالیست‌های اکسید تیتانیوم با کربن، محققان از سه روش استفاده می‌کنند: گرم کردن کاربید تیتانیوم، عملیات حرارتی اکسید تیتانیوم در اتمسفر منوکسید کربن در دماهای بالا (500 تا 800 درجه سانتی‌گراد) و سوزاندن مستقیم ورقه فلز تیتانیوم در شعله گاز طبیعی. همچنین روش‌های مختلفی برای دوپ شدن نانوساختارهای اکسید تیتانیوم با نیتروژن وجود دارد: هیدرولیز تتراایزوپروپوکسید تیتانیوم (TTIP) در مخلوط آب و آمین، برهم‌کنش میان سل اکسید تیتانیوم با آمین‌های کمپلکس تیتانیوم بی‌پیریدین، آسیاب گلوله‌ای اکسید تیتانیوم در محلول آب و آمونیاک، حرارت دادن به اکسید تیتانیوم در اتمسفر آمونیاک در دمای 500 تا 600 درجه سانتیگراد، کلسینه کردن محصول هیدرولیزی Ti(SO4)2 با آمونیاک در کنار ترسیب‌دهنده، تجزیه فاز گازی TiCI4 با مشعل پلاسمای ماکرویوو و روش‌های کندوپاش با نیتروژن.
واکنش‌هایی که گرما آغازگر آنها است و همچنین روش‌های کندوپاش، برای دوپ شدن نانوخوشه‌های اکسید تیتانیوم با فلوئور و گوگرد استفاده می‌شود. برای تولید نانوکاتالیست‌های اکسید تیتانیوم آلاییده با گوگرد، محققان TTIP را با اتانول حاوی تیواوره ترکیب کردند. پودر گوگرد را گرم کرده یا از روش‌های کندوپاش/کاشت یونی با جریان یون +S استفاده کردند. نانومواد اکسید تیتانیوم آلاییده با فلوئور با ترکیب TTIP با استفاده از اتانول حاوی H2O-NH4F به‌دست آمد، سپس در اتمسفر هیدروژن فلوراید گرمادهی شد و بعد یک محلول آبی H2TiF6 روی آن اسپری گردید. این کار با استفاده از روش‌های کاشت یونی با جریان یون+F انجام شد. لیو و همکارانش TiCI4 را به اتانول حاوی HBr اضافه کردند تا نانوخوشه‌ها را با Br و-Cl به‌صورت هم‌زمان دوپ شدن کنند.
ذکر این موضوع بسیار مهم است که تغییر روش‌های دوپ شدن می‌تواند حالت‌های ظرفیت مختلفی را در ماده دوپ‌کننده ایجاد کند. برای مثال، گوگردی که از محلول تیواوره استخراج شود از حالتS4 به +S6 تغییر عدد اکسیداسیون خواهد داشت، در حالی‌که گرم کردن مستقیم TiS2 با کاتیون‌های دارای ظرفیت بالاتر از کاتیون مادر (Ti+4) موجب افزایش تولید H2 و کارایی فوتوکاتالیست می‌شود. دوپ شدن با یون‌های دارای حالت‌های ظرفیتی مختلف و توانایی ماده دوپ‌کننده، برای تغییر حالت‌ ظرفیت اهمیت زیادی دارد. اینها به‌صورت مستقیم به نقص‌ها و توانمندی دوپ‌کننده در تشکیل و پایداری الکترون حفره مرتبط است. همچنین دوپ‌کننده‌ها می‌توانند خواص انتقال را برای الکترون، یون‌های اکسیژن و حفره‌ها در سطح افزایش دهند.

2.3. اصلاح شیمیایی سطح
کارایی نانوکاتالیست‌ها بستگی به درجه نسبی فعالیت جفت‌های الکترون- حفره‌ای دارد که از واکنش‌های انتقال بار میان سطحی نشات می‌گیرند. از آنجایی که نانوخوشه‌ها نسبت سطح به حجم بالایی دارند، اصلاح انتخابی سطح آنها می‌تواند کارایی کوانتومی انتقال‌دهنده‌های بار را افزایش دهد.  بهبود جدایی بار و ممانعت از بازترکیب حاملین بار، بسیار ضروری بوده و راهبردهای متعددی برای رسیدن به این هدف وجود دارد: حساس‌سازی ذرات نیمه‌هادی با جفت‌های ردوکس یا فلزات نجیب، از طریق شلاته کردن سطح، مشتق‌گیری و پلاتینه کردن، جداسازی الکترون و حفره با گونه‌های ردوکس جذب شده در سطح و جفت شدن ذرات نیمه‌هادی با سطوح انرژی الکترونیکی مختلف، از جمله این راهبردها است.

filereader.php?p1=main_06dce3bf4e78c6af2
شکل6. انتقال بار و تعادل سطح فرمی در نانوکامپوزیت‌های نیمه‌هادی-فلزی. E /F و EF

1.2.3. حساس‌سازی
اکسید تیتانیوم یک ماده هادی با باند گپ وسیع است که جذب نوری آن در منطقه فرابنفش (کمتر از 400 نانومتر) قرار دارد. هر فلزی با باند گپ کوچک یا جذب کم در ناحیه مادون قرمز و نور مرئی می‌تواند برای حساس‌سازی اکسید تیتانیوم مورد استفاده قرار گیرد. زمانی‌که انرژی نور کمتر از باندگپ نیمه‌هادی باشد، جریان تولید می‌شود که به این پدیده حساس‌سازی می‌گویند. از این گونه مواد می‌توان به نیمه‌هادی‌های معدنی با باند گپ پهن، فلزات و رنگ‌های آلی اشاره کرد. این‌که برهم‌کنش میان نور با اکسید تیتانیوم حساس شده چقدر کارا است، بستگی به نوع برهم‌کنش نور با اکسید تیتانیوم دارد. البته فاکتورهای دیگری نظیر کارایی انتقال بار از ماده حساس‌کننده به اکسید تیتانیوم، جداسازی بارها، نزدیک بودن ساختار الکترونیکی اکسید تیتانیوم و حساس‌ساز، ساختار بین سطح نظیر مرز دانه‌ها، پیوند میان اکسید تیتانیوم و حساس‌ساز نیز در این امر دخالت دارند. برای جلوگیری از به دام افتادن و بازترکیب لازم است طراحی دقیق صورت گیرد. به دام افتادن و بازترکیب الکترون حفره می‌تواند کارایی حساس‌سازی را کاهش دهد.

1.1.2.3. حساس‌سازی معدنی
گروه‌های مختلفی برای حساس‌سازی نیمه‌هادی‌های دارای باندگپ کم‌عرض مورد استفاده قرار می‌گیرند. این گروه‌ها موجب بهبود خواص جذب نوری نانوخوشه‌های اکسید تیتانیوم در ناحیه نور مرئی می‌شوند. محققان با استفاده از روش سل- ژل موفق به تولید نانوساختارهای اکسید تیتانیوم حساس شده با نیمه‌هادی‌های معدنی شده‌اند. برای مثال؛ وگل و همکارانش، نانوحفره‌های اکسید تیتانیوم حساس شده با CdS ،PbS ،Ag2S ،Sb2S3 و Bi2S3 تولید کردند. در سطح میان نانوذرات اکسید تیتانیوم و نانوذرات معدنی، محققان موفق به بهینه‌سازی سطوح انرژی برای جداسازی بارها شدند. این کار با اثر کوانتیزه کردن ابعاد انجام شد. هم‌چنین محققان توانستند پایداری نوری الکترودهای اکسید تیتانیوم آلاییده را با استفاده از سولفید کادمیم افزایش دهند. یک سال بعد از این پژوهش، برخی از محققان همین گروه تحقیقاتی، هویر و همکارانش اعلام کردند که موفق به حساس‌سازی نانوخوشه‌های اکسید تیتانیوم با نانوذرات سولفید سرب (با ابعاد کمتر از 2.5 نانومتر) شده‌اند. این گروه، الکترون‌های مازاد تولید شده با تابش نور را از اکسید سرب به اکسید تیتانیوم منتقل کردند. این کار موجب افزایش هدایت ‌نوری و انتقال به منطقه نور مرئی شد. در همین سال، یک گروه تحقیقاتی دیگر، فیتزاماریک و همکارانش دریافتند که برانگیختن حساس‌کننده یدید نقره در نانوذرات اکسید تیتانیوم، موجب پایدار شدن جفت‌های الکترون-حفره می‌شود، به‌طوری که این جفت‌ها قادرند تا 100 میکروثانیه پایدار بمانند. همان‌گونه که در بالا اشاره شد، چگونگی انتقال بار از حساس‌کننده به اکسید تیتانیوم، تعیین‌کننده رفتار اکسید تیتانیوم با نور بوده و کارایی اکسید تیتانیوم حساس ‌شده را مشخص می‌کند.
ده‌ سال قبل، کیوان و همکارانش از اندازه‌گیری طیف فوتوولتاژ سطحی برای اثبات کاهش چگالی حالت نانوذرات اکسید تیتانیوم در اثر حساس کردن آن با نانوذرات سولفید کادمیم استفاده کردند. بعد از حساس کردن اکسید تیتانیوم با سولفید کادمیم، این گروه پاسخ جریان‌نوری (photocurrent) کـُند نانوفیلم اکسید تیتانیوم را حذف کرده و جریان نوری حالت ایستایی را افزایش دادند. سانت و کامات دریافتند که اثرات ابعاد کوانتومی می‌تواند نقش مهمی در انتقال الکترون بین ذرات در سیستم نیمه‌هادی اکسید تیتانیوم-سولفیدکادمیم داشته باشد. انتقال الکترون تولید شده در اثر برانگیختگی با نور، از سولفید کادمیم به اکسید تیتانیوم، به ابعاد نانوذرات اکسید تیتانیوم بستگی دارد. انتقال بار، زمانی اتفاق می‌افتد که ابعاد نانوذرات اکسید تیتانیوم از 1.2 نانومتر کوچک‌تر باشد که در این حالت باند هدایت اکسید تیتانیوم زیر باند هدایت سولفید کادمیم است. چنین اطلاعاتی برای استفاده از این سیستم بسیار مهم است زیرا مانع از هدر رفتن منابع مالی می‌شود.
سانت و کامات، سطح فیلم‌های اکسید تیتانیوم حساس شده را با استفاده از اصلاح‌کننده‌های سطحی حاوی گروه‌های عاملی زیستی (SHR-COOH) به نانوذرات سولفید کادمیم متصل کردند. در اثر تابش پرتوهای مرئی، نانوذرات سولفید کادمیم، الکترون‌ها را به نانوکاتالیست اکسید تیتانیوم تزریق می‌کند. نتایج نشان می‌دهد اگر کامپوزیت اکسید تیتانیوم-سولفید کادمیم به‌عنوان فوتوآند در سل‌های الکتروشیمیایی مورد استفاده قرار گیرد، کارایی تبدیل فوتون به حاملین بار 12 درصد خواهد بود. شن و همکارانش اخیرا روی نانوالکترودهای اکسید تیتانیوم با ابعاد مختلف که با نانوذرات سولفید کادمیم آلاییده، تحقیقاتی انجام داده‌اند. این گروه نشان دادند جریان‌های فوتوالکتروشیمیایی ناحیه مرئی در نانوخوشه‌های اکسید تیتانیوم حساس شده با سولفید کادمیم، به ساختار الکترود اکسید تیتانویم و ضریب نفوذ الکترون بستگی دارد.

2.1.2.3. حساس‌سازی نانولوله کربنی
همان‌طور که گفته شد، سد شاتکی زمان موثر بازترکیب جفت الکترون-حفره را افزایش می‌دهد. سد شاتکی یک اتصال میان فلز-نیمه‌هادی است که در آن منطقه جدایی بار وجود دارد. در این سد، دو ماده دارای محل تماسی برای انتقال الکترون از یک ماده به ماده دیگر بوده و سطوح انرژی فرمی آنها در این منطقه تراز است. در فلزاتی که دارای تابع کار بالاتر نسبت به نیمه‌هادی نوع n هستند، جریان الکترون از نیمه‌هادی به سوی فلز است. این سد شاتکی موجب می‌شود تا فلز، بار منفی به خود بگیرد و نیمه‌هادی بار مثبت مازادی به‌دست آورد. وجود یک لایه جدا‌کننده موجب جدایی این دو می‌شود. معمولا این روش برای فلزاتی نظیر پلاتین و دیگر فلزات نجیب به کار گرفته می‌شود.
نانولوله‌های کربنی دارای خواص الکترونیکی مختلفی هستند؛ از آن جمله می‌توان به هدایت الکتریکی در یکی از پیکربندی‌های این ماده اشاره کرد. نانولوله‌های کربنی دارای ظرفیت ذخیره الکترون بسیار بالایی (یک الکترون برای هر 32 اتم کربن) هستند. بنابراین آنها می‌توانند الکترون‌های تولید شده در اثر تابش نور به نانوخوشه‌های اکسید تیتانیوم را پذیرفته و در خود ذخیره کنند، با این کار بازترکیب میان الکترون و حفره اتفاق نمی‌افتد. جفت الکترون-حفره‌ها معمولا 10 ثانیه عمر داشته و سپس دچار بازترکیب می‌شوند. هافمن و همکارانش برهم‌کنش‌های شیمیایی آنها را با ذرات آلودگی اندازه‌گیری کرده و دریافتند که زمان طول عمر به 8-10 تا 3-10 ثانیه افزایش می‌یابد. سد شاتکی نانولوله‌کربنی-اکسید تیتانیوم موجب افزایش زمان بازترکیب جفت الکترون-حفره می‌شود.
اصلاحات ساختاری بیشتر روی نانولوله‌های کربنی موجب افزایش مساحت سطحی آنها شده و امکان جذب را روی این نانوساختارها افزایش می‌دهد. این امکان وجود دارد که نانولوله‌های کربنی کارایی فوتوکاتالیستی مواد را افزایش دهند (این کار با حساس‌سازی‌ انجام‌پذیر است). بنابراین نانولوله‌ها موجب افزایش توانمندی‌های فوتوکاتالیستی اکسید تیتانیوم در طیف نور مرئی خواهند شد.
در نهایت باید گفت؛ نانولوله‌های کربنی دو مشکل بزرگ نانوکاتالیست‌ها را مرتفع می‌کند: دشواری در توزیع یکنواخت ذرات منفرد و جمع کردن مجدد آنها بعد از استفاده. وجود ساختار حمایت‌کننده برای رسیدن به این دو هدف ضروری است. در حال حاضر دو روش برای اتصال نانولوله‌های کربنی به اکسید تیتانوم وجود دارد: الکتروریسندگی نانولوله‌های کربنی و وارد کردن ذرات مغناطیسی آهن به درون نانولوله‌های کربنی و سپس تولید نانوکامپوزیت اکسید تیتانیوم-نانولوله‌کربنی.
به شما توصیه می‌کنیم برای کسب اطلاعات بیشتر و مثال دیگر از توسعه نانوکاتالیست‌های کربنی، مقاله مروری لری و وست‌وود در سال 2010 را مطالعه کنید. این گروه به بررسی کربن فعال، دوپ شدن کربن، نانولوله‌های کربنی، فولرین، گرافن، پوشش کربنی لایه‌ نازک، کربن سیاه نانومتری و دیگر مواد پرداختند.

2.2.3. جفت کردن دو سیستم‌‌ نیمه‌هادی
هنگلین و همکارانش برای اولین بار نشان دادند افزودن مقدار کمی Cd+2 به سولفیدروی می‌تواند باند فلورسانس سولفید روی را از بین ببرد. حساس‌کننده‌های نوری نانومقیاسی، نظیر؛ سولفید کادمیم نه تنها پاسخ نوری اکسید تیتانیوم در طیف مرئی را افزایش می‌دهند بلکه موجب انتقال الکترون بین ذرات می‌شوند. مشاهدات ESR از Ti+3 نشان می‌دهد الکترون از حساس‌کننده ‌نوری نانومقیاس به اکسید تیتانیوم منتقل می‌شود. بنابراین جفت شدن سیستم‌های نیمه‌هادی مختلف، راه دیگری برای بهبود جداسازی حاملین بار است (بخش 3-1 را ببینید). شکل (7) فرآیند انتقال بار را در یک سیستم نیمه‌هادی نشان می‌دهد. الکترون‌های تولید شده در باند هدایت یک نیمه‌هادی دارای سطح انرژی بالا، به باند هدایت نیمه‌هادی دیگر که باند هدایت پایین‌تری دارد، منتقل می‌شود. می‌توان از این سیستم‌های جفت شده برای بهبود پیل‌های خورشیدی استفاده شود. بنابراین روشی مناسب برای احیاء محیط‌زیست بوده، به‌طوری که توجه محققان و دولت‌ها را به خود جلب کرده تا روی سنتز، تست و بهبود این روش کار کنند.
کامپوزیت نانوساختارهای آلی-معدنی برای تولید کاتالیست‌های مختلفی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در سال 1996، برنو و همکارانش روشی برای سنتز نیمه‌هادی‌های پایدار آلی مبتنی بر سولفید کادمیم و سلنید کادمیم ارائه کردند. نویسندگان این مقاله با وارد کردن مولکول‌های آلی به شبکه معدنی، پیش‌بینی کردند که خواص الکترونیکی ماده نهایی بهبود یافته و نانوساختار آلی-معدنی جدیدی پا به عرصه ظهور خواهد گذاشت، ماده‌ای که برای استفاده در حوزه‌های فوتوکاتالیستی مناسب است. پس از آن بود که جانگ و همکارانش نانوکاتالیست سولفید کادمیم-اکسید تیتانیوم تولید کردند که می‌توانست در معرض نور مرئی آبی (طول موج بیشتر از 420 نانومتر) متیلن را از بین ببرد. تاچیبانا و همکارانش پیل‌های خورشیدی فوتوالکتروشیمیایی ساختند که در آن از نانوخوشه‌های اکسید تیتانیوم حساس شده با سولفید کادمیم استفاده شده بود، این کامپوزیت دارای فعالیت فوتوکاتالیستی بالایی بود. یانگ و همکارانش اکسید کامپوزیتی، اکسید قلع-اکسید روی، با نسبت مولی Sn:Zn مختلف تولید کردند که در دماهای مختلف کلسینه شده بود. این کار با استفاده از روش هم‌رسوبی با ستیل‌تری‌متیل‌آمونیم بروماید انجام شد. ماده حد واسط، یک ترکیب آمورف بود که در آن اکسید‌های کامپوزیت ZnO–SnO2 فعالیت کاتالیست ‌نوری بالایی داشت. سان و همکارانش حساس شدن اکسید روی با قلع را تایید کردند. پس از آن بود که قلع تبدیل به یک ماده حساس‌کننده برای اکسید روی شد.
سیستم‌های جفت شده دیگری نیز وجود دارند که خواص نوری آنها مورد مطالعه قرار گرفته است:

ZrO2–TiO2–xNx, ZnS–CdS, CdS–Ag2S, ZnxCd1–xS, CdS–ZnS, AgI–Ag2S, CdS–HgS, Ag–TiO2, CdS–ZnO–CdO, ZnO–ZnS, ZnO–ZnS ZnS–CdSe, CdS–PbS, SiO2, Pt–TiO2– SiO

روش‌های دیگری نیز برای توسعه سیستم‌های نیمه‌هادی ناهمگن وجود دارد. با تغییر عوامل ویژه‌ای نظیر ضخامت پوسته یا شعاع هسته، خواص فوتوکاتالیستی، نوری و مغناطیسی، می‌توان نانوکاتالیست‌ها را به یکدیگر مرتبط کرد. همچنین مشکلاتی مانند انحلال نوری که ممکن است در کاتالیست‌های ‌نوری نظیر Fe2O3 اتفاق بیفتد. یکی دیگر از مزیت‌های استفاده از ترکیبات اکسید‌ی این است که آنها می‌توانند خاصیت ضد سینترینگ را در طول عملیات حرارتی بهبود دهند. برای مثال، اکسید زیرکونیم جفت شده با نانوخوشه‌های TiO2 - xNx، در طول فرآیند کلسینه شدن، رشد بلوری نامناسبی را تجربه می‌کند. این نانوکاتالیست دارای حفره‌های متعددی بوده، مساحت سطحی بالایی داشته و پایداری حرارتی بهتری نسبت به نمونه اصلاح نشده TiO2 - xNx دارد. این موضوع ثابت می‌کند که اکسید کردن ترکیبات آلی گازی می‌تواند مزایایی در پی داشته باشد.

filereader.php?p1=main_8f14e45fceea167a5
شکل7. نمایی از انتقال بار در یک سیستم نیمه‌هادی جفت شده

با این حال، جفت‌کردن نیمه‌هادی‌ها همیشه از طریق جداکردن بار، موجب بهبود خواص فوتوکاتالیستی نمی‌شود. طراحی یک فوتوکاتالیست پیشرفته، مبتنی بر ساختار باند ترکیبات سازنده آن است. فاکتورهای متعددی تعیین‌کننده هستند که از آن جمله می‌توان به مساحت سطحی، چگالی نقص، نوع تبلور و اثر ابعاد کوانتومی اشاره کرد. همچنین در سیستم‌های هسته‌- پوسته‌ای، اگر ضخامت پوسته به قدر کافی ضخیم باشد، دو بخش هسته و پوسته خواص اولیه خود را حفظ می‌کنند. این بدان معناست که تنها حفره‌های سطح نانوکاتالیست در دسترس هستند. این موضوع، امکان انتقال بار انتخابی میان دو بخش هسته و پوسته را فراهم کرده و کارایی اکسیداسیون را بهبود می‌بخشد. احیاء الکترون‌ها در طول فرآیند فوتوکاتالیستی مورد استفاده قرار نمی‌گیرد (الکترون‌ها درون نیمه‌هادی هسته به دام می‌افتند).
بنابراین این فوتوکاتالیست‌ها نمی‌توانند برای احیاء نوری یا دیگر واکنش‌هایی که در آنها رادیکال‌های سوپراکسید نقش حیاتی دارند، مورد استفاده قرار گیرند.
اخیرا از نانوذرات سه لایه برای توسعه نانوذرات نیمه‌هادی اصلاح شده بهره می‌گیرند. این نانوذرات دارای هسته‌ نانومقیاس کوانتومی بوده و چندین لایه نیمه‌هادی دیگر روی آن را پوشانده است. در نهایت ماده‌ای روی پوسته خارجی قرار داده می‌شود. به این ذرات، نقاط یا چاه‌های کوانتومی گفته می‌شود. اولین مثال از این مواد در این مقاله، ترکیب CdS-HgS-CdS است. یک ماده دیگر نیز می‌تواند به‌عنوان پوسته خارجی روی این ساختار قرار گرفته و در نهایت موجب تولید نانوکاتالیست‌ پیشرفته‌ای شود. لی و همکارانش نشان دادند که می‌توان نانوکاتالیست مغناطیسی سه‌گانه سخت تولید کرد که در آن ترکیبات BaFe - SiO2 - TiO2 به ترتیب هسته مغناطیسی، لایه میانی و پوسته فعال نوری) با روش شیمی‌ تر ایجاد می‌شوند. بعد از یک عملیات حرارتی، فعالیت فوتوکاتالیستی کل نانوکامپوزیت افزایش می‌یابد. در نهایت، پژوهشگران مؤسسه تحقیق و توسعه متالورژی مصر با همکاری چند مؤسسه آمریکایی، روی کامپوزیت‌های سه‌گانه مختلفی کار کردند تا موادی برای از بین بردن آلودگی محیط‌زیست به‌دست آورند:

V2O5–TiO2–SiO2, ZnO–TiO2–SiO2, V2O5–TiO2–SiO2, Y2O3–Fe2O3–TiO2, Pt–Ti–HMS, Ag–Ti–HMS, Zn–TiO2–ZnO, Ag–TiO2–SiO2, BaCo0.5Y0,5O3

3.2.3. فیلم‌های نانوبلوری و حساس‌سازی
زمانی‌که نانوکاتالیست‌های پودری به‌صورت کلوئیدی در احیاء محیط‌زیست استفاده می‌شود، محدودیت‌هایی پیش می‌آید. برای مثال، پس از انجام فرآیند کاتالیستی، باید یک مرحله جداسازی انجام شود تا محصولات جانبی، از سیستم خارج شده و نانوکاتالیست برای استفاده مجدد آماده شود. از دهه 80 میلادی تاکنون، تحقیقات متعددی برای غلبه بر مشکل تمیز کردن و بازیافت مجدد نانوکاتالیست‌ها انجام شده تا در نهایت فیلم‌های نازک روی بستر جامد به‌دست آید.
فیلم‌های نانوبلوری کاربردهای صنعتی جدیدی دارند. برای مثال از آنها می‌توان به‌عنوان سطوح آنتی‌باکتریال، شیشه‌ها و کاشی‌های خود تمیزشونده استفاده کرد. از این مواد می‌توان در حوزه ادوات فوتوولتائیک پیشرفته و حسگرهای آلودگی محیط‌زیست استفاده کرد.

1.3.2.3. فیلم‌ها
لایه‌نشانی شیمیایی از فاز بخار یا اپیتاکسی پرتو مولکولی، روشی مناسب برای تولید فیلم‌های نانوبلوری است. چنین فیلم‌هایی از شبکه رسانای الکتریکی ایجاد شده‌است. نانوذرات تشکیل‌دهنده این فیلم‌ها تماس الکتریکی را برقرار کرده و حرکت حاملین بار را تسهیل می‌کند. این انتقال بار بسیار کارا بوده و محصول کوانتومی یکنواختی ارائه می‌کند. بنابراین دستکاری فرآیندهای فوتوکاتالیستی با استفاده از روش‌های الکتروشیمیایی بسیار ساده است. شکل (8) چگونگی رسوب نانوذرات فلزی را روی نانوبلورهای فیلم اکسید تیتانیوم نشان می‌دهد که موجب افزایش خواص الکتروشیمیایی و فوتوکاتالیستی فیلم شده‌است.
مزیت دیگر، تخلخل بالا است. یک محیط رسانا (خواه الکترولیت باشد یا نیمه‌هادی‌های دیگر)، حفره‌های میان ذرات را پرمی‌کند که با این کار تماس مساحت سطحی به شدت بالا می‌رود. با این کار، اصلاح سطحی با حساس‌کننده‌ها، جفت‌های ردوکس و دیگر نیمه‌هادی‌ها که برای کاربردهای فوتوکاتالیستی مناسب هستند، تسهیل می‌شود.

2.3.2.3. فیلم‌های حساس‌شده با رنگ
فیلم‌های نانوبلورینی که از نیمه‌هادی‌های دارای باند گپ بزرگ، نظیر اکسید تیتانیوم تشکیل شده‌اند، تنها به پرتوهای منطقه فرابنفش پاسخ می‌دهند. این فیلم‌ها با رنگ‌هایی تقویت می‌شوند که به شدت به طیف مرئی نور پاسخ دهند. با این‌که فیلم حساس شده، می‌توان طیف پاسخ‌دهی آن را افزایش داد. برای مثال، در فیلم اکسید تیتانیوم نانوبلوری متخلخل، مساحت سطحی موثر نسبت به حالت کلوئیدی می‌تواند 1000 برابر افزایش یابد. با این کار، کارایی جذب نور بهتر می‌شود، به‌طوری که هر ذره‌ای که یک لایه رنگ داشته باشد قادر به جذب نور خواهد شد.

3.3.2.3. مهندسی وجه بلور
در سطور بالا اشاره شد که برای بهبود کارایی نانوکاتالیست‌ها می‌توان سایت‌های فعال مناسبی روی کاتالیست ایجاد کرد. اخیرا لیو و همکارانش مقاله مروری درباره این موضوع به رشته تحریر درآورده‌اند. آنها در سال 2011 به یک جمع‌بندی درباره راهبرد پایه برای مهندسی وجه بلور در فوتوکاتالیست‌ها به ویژه بلورهای اکسید تیتانیوم رسیدند‌. اگر می‌خواهید در مورد تاریخچه این موضوع، راهبردهای سنتزی، پیش‌بینی شکل بلور و فعالیت‌های فوتوکاتالیستی بیشتر بدانید، شما را به خواندن این مقاله دعوت می‌کنیم. بیشتر مباحث آنها که در تلاقی با تحقیقات دیگر در این حوزه است، در شکل (9) آورده شده‌است.

filereader.php?p1=main_c9f0f895fb98ab915
شکل 8. دیاگرام‌های مربوط به نقش پلاتیم (A) و طلا (B) در تعیین تعادل سطح فرمی سیستم کامپوزیت فلز-اکسید تیتانیوم

4. کاربرد نانوکاتالیست‌ها
1.4. معرفی
تقریبا تمام روش‌های احیاء محیط‌زیست و تحقیقات انرژی جایگزین، به نوعی به علم و فناوری مواد مرتبط هستند. به ویژه وارد شدن علم نانو در این حوزه به ما کمک می‌کند تا موادی را انتخاب کنیم که موجب افزایش کارایی فوتوکاتالیست‌ها شده و بتواند با پیوند زدن شیمی مواد آلاینده به فوتوکاتالیست‌ها، فرآیند تجزیه آلاینده‌ها با استفاده از نور را بهینه کند. فرآیندهای فوتوکاتالیستی مواد توده‌ای، دیگر ما را محدود نخواهند کرد. تحقیقات خوب، منجر به خلق دانش‌ جدیدی می‌شود که در نهایت به فناوری‌های نوین ختم خواهد شد. پیشرفت‌های انجام شده در بخش نانوخوشه‌ها که تاکنون بحث شده، هیچ استثنائی نداشته است. هیچ کدام از آنها در محیط خلاء نبوده است. هر کدام از این پیشرفت‌ها به نوعی برای استفاده در یک حوزه خاص، طراحی و تست شده‌است. در این بخش، ما به بررسی این کاربردها می‌پردازیم.

2.4. احیاء محیط زیست
مشکل مهمی که جوامع مدرن با آن روبرو هستند، این است که؛ چگونه می‌توان آلودگی‌های زیست‌محیطی از جمله آب و هوا را رفع کرد؟ در دهه 80 و 90 میلادی، احیاء آلودگی‌های محیط‌زیست به یکی از اولویت‌های ملی و جهانی تبدیل شد. پساب‌های سمی، موجب آلودگی رودخانه‌ها و دریاچه‌ها می‌شود. با افزایش جمعیت در کشورهای در حال توسعه، این مشکل بیشتر می‌شود مگر این‌که علم به کمک بشر آمده و با تحقیقات، فناوری‌ها و فرآیندهای جدید بتواند جلوی این مشکل را بگیرد. در بخش‌هایی از این مقاله مروری گفته شده‌است که فوتوکاتالیست‌های نیمه‌هادی می‌تواند یکی از راه‌های مبارزه با این مشکل باشد. به‌طوری که نانوکاتالیست‌های پیشرفته یک مزیت در این حوزه به شمار می‌روند. گزارش‌های متعددی درباره معدنی کردن (mineralization) ترکیبات مختلف آلی گزارش شده‌است. سال گذشته، ته و محمد، مقاله‌ای مروری منتشر کردند که در آن پیشرفت‌های انجام شده در بخش کاتالیست‌های مبتنی بر اکسید تیتانیومِ از بین برنده آلاینده‌های آلی در پساب‌ها، مورد بررسی قرار گرفته بود. جدول (1) مثال‌های دیگری از مقالات منتشر شده مربوط به آلاینده‌های محیط‌زیست و روش‌های مقابله با آنها را نشان می‌دهد. ته و محمد علاوه‌بر این، فهرست مثال‌های دیگری از کاربردهای نانوکاتالیست‌ها و انواع مختلف آلاینده‌ها را ارائه کردند.

3.4. کنترل بخار سمی
نانوکاتالیست‌ها می‌توانند برای تبدیل ترکیبات گازی مضر به دی‌اکسید کربن و آب استفاده شوند. تولوئن گازی، فرمالدئید، 1-3 بوتادین، استون، 1-بوتنول، بوتیرآلدهید، فرمالدهید، متاگزیلن و اتیلن از جمله موادی هستند که مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. از آنجایی که یک فوتوکاتالیست می‌تواند به کرات مورد استفاده قرار گیرد، زدایش گازهای سمی با چنین سیستم‌هایی، بسیار مورد توجه بوده و کاربردهای درازمدت و میان‌مدتی خواهد داشت. یکی از کاربردهای این کاتالیست‌ها، استفاده از آنها برای تصفیه هوای داخل کابین شاتل‌های فضایی و ایستگاه‌های بین‌المللی است.

filereader.php?p1=main_45c48cce2e2d7fbde
شکل9. دیاگرام نشان‌دهنده رابطه میان ساختار بلوری، شیمی سطح و اندازه نانوذرات کاتالیستی

یکی از مواردی که باید مدنظر داشت، این است که هنگامی که گازهای مختلفی برای تجزیه مورد استفاده قرار می‌گیرند، ابتدا گازی که بیشترین تمایل به کاتالیست‌ را دارد تجزیه می‌شود و مادامی‌که این گاز در محیط وجود دارد گاز دیگری که تمایل کمتری به کاتالیست دارد، تجزیه نمی‌شود. بنابراین، در توسعه نانوکاتالیست‌ها باید نوع گاز مورد استفاده، مورد توجه قرار گیرد. اگر در محیط، چند نوع گاز مختلف وجود داشته باشد، باید از سیستم نانوکاتالیستی چندگانه استفاده کرد تا مطمئن شد که هیچ گاز تجزیه نشده‌ای در محیط باقی نمانده است.

4.4. استریل‌کردن ذرات زیستی
سال گذشته، مارکوسکا-اسکوپا و همکارانشان مقاله‌ای مروری منتشر کردند که در آن، جزئیات مربوط به نقش اکسید تیتانیوم در کشتن باکتری‌ها، قارچ‌ها و دیگر ارگانیسم‌های ناخواسته عنوان شده بود. ماتسوناگا و همکارانش برای اولین بار در سال 1985، اثر آنتی‌باکتریال فوتوکاتالیست اکسید تیتانیوم را منتشر کردند. این گروه، به توسعه و بهبود این فوتوکاتالیست ادامه دادند، تا این‌که موفق شدند با تابش 16 دقیقه‌ای، بیش از 99 درصد از باکتری‌های ایکولا را از بین ببرند. خواص دیگری نیز در کاتالیست وجود دارد که می‌تواند روی فعالیت‌های ضد باکتری در احیاء محیط‌زیست موثر باشند: مساحت سطحی، ابعاد ذرات و امکان فعالیت فوتوکاتالیست در محدوده نور مرئی. بنابراین، تداوم بهبود فوتوکاتالیست‌ها، باید منجر به بهبود اثربخشی مواد آنتی‌باکتریال شود.
ویروس‌ها از مهم‌ترین ذرات حساس زیستی مورد مطالعه در حوزه فوتوکاتالیست‌ها بوده‌اند. پژوهش‌های مختلف نشان می‌دهد که اکسید تیتانیوم، ماده‌ای موثر برای از بین بردن ویروس‌ها است. اما این‌که با چه ساز و کاری این کار انجام می‌شود هنوز مشخص نیست. بنابراین، باید مطالعات بیشتری در این‌باره انجام شود تا بتوان نانوکاتالیست‌ها را به‌گونه‌ای توسعه داد که خواص آنتی‌باکتریال بهتری داشته باشند.
مارکوسکا-اسکوپا و همکارانشان، تمرکز زیادی روی پریون‌ها (مواد زیستی که عامل برخی عفونت‌ها هستند، پریون‌ها معمولا از یک ساختار پروتئینی تشکیل می‌شوند-مترجم)، قارچ‌ها و سرطان‌ها داشته‌اند. در یکی از تحقیقات، نشان داده شد که پرتوهای فرابنفش می‌توانند با موفقیت پریون‌ها را از بین ببرند. از بین رفتن قارچ‌ها به گونه قارچ بستگی دارد. مورفولوژی قارچ‌ها، بسیار متفاوت بوده و هر گونه از قارچ ها، رفتار ویژه خود را دارد.
نانوذرات اکسید تیتانیوم، خواص ضد سرطانی دارند که می‌تواند بسیار جالب توجه باشد؛ هر چند که هنوز ساز و کار این فرآیند برای دانشمندان ناشناخته است. تحقیقات بیشتری در این حوزه باید انجام شود. احتمالا این اثر ضد سرطانی مربوط به آپوپتوز (مرگ برنامه‌ریزی شده سلول-مترجم) سلول سرطانی باشد. در یک تحقیق انجام شده در دانشگاه ایلینوی، مشخص شد که این ماده می‌تواند بدون این‌که به سلول‌های نرمال و سالم آسیبی برساند، سلول‌های سرطانی را از بین ببرد.

5.4. انرژی تجدیدپذیر
1.5.4. جذب انرژی خورشیدی

علم نانو می‌تواند به بهبود کارایی پیل‌های خورشیدی کمک کند. حسگرهای نوری نانومقیاس، نظیر سولفید کادمیم، نه تنها موجب بسط طیف نوری اکسید تیتانیوم و رساندن آن به محدوده طول موج نور مرئی می‌شود بلکه می‌تواند انتقال الکترون را تسریع کند. سیگنال Ti+3 مشاهده شده با ESR ثابت می‌کند که جا‌به‌جایی الکترون، از سولفید کادمیم به اکسید تیتانیوم، اتفاق افتاده است. اخیرا تاچیبانا و همکارانش پیل‌های خورشیدی بسیار پایداری ساختند که دارای اکسید تیتانیوم آلاییده با نانوخوشه‌های سولفید کادمیم است. این پیل فعالیت‌ فوتوکاتالیستی بالایی از خود به نمایش می‌گذارد. این گروه، همچنین روی استفاده از فوتوآندهایی از جنس اکسید تنگستن برای پیل‌های الکتروشیمیایی نوری تحقیق کردند. اگرچه این پیل‌ها نسبت به خوردگی نوری پایدار بوده و بخش زیادی از پرتوهای نوری را جذب می‌کنند، کارایی آنها هنوز خیلی پایین است. سیستم‌های جفت‌شده نیمه‌هادی می‌تواند گزینه مناسبی برای تولید ادوات تبدیل انرژی خورشیدی باشد.

2.5.4. تولید هیدروژن
در سال 1972 فوجیشیما و هوندا موفق شدند با استفاده از فوتوآند اکسید تیتانیوم و تابش نور فرابنفش، آب را تجزیه کنند. در این پژوهش از الکترود پلاتین در یک محلول الکترولیت آبی استفاده شد. از آن پس، فوتوکاتالیست‌های نیمه‌هادی توجهات زیادی را به خود جلب کرده‌اند به‌طوری که بسیاری به دنبال استفاده از این روش برای تولید هیدروژن هستند. هیدروژن یک گزینه مناسب به‌عنوان سوخت برای استفاده در خودروها، ساختمان‌ها و ادوات الکترونیکی است. اکسید تیتانیوم، دوسولفید مولیبدن و سولفید کادمیم از جمله گزینه‌های احتمالی برای تولید هیدروژن هستند.
در سال 2006 جانگ و همکارانش نانوذرات سولفید کادمیم را با اکسید تیتانیوم جفت کرده و از آن برای تولید هیدروژن استفاده کردند. سولفید کادمیم موجب حساس شدن اکسید تیتانیوم شده و به این ماده اجازه می‌دهد تا تولید هیدروژن در ناحیه طول موج مرئی اتفاق بیفتد. سال گذشته، شن و همکارانش موفق به اصلاح سطحی پودر سولفید کادمیم پلاتین‌دار شدند. آنها این کار را با استفاده از یون نقره انجام دادند که در نهایت فوتوکاتالیست فعال‌تر شده و فرآیند تولید هیدروژن با کارایی بالاتری انجام می‌شود. در صورتی‌که این اصلاح صورت نگیرد، با گذشت زمان از تولید هیدروژن، سولفید کادمیم غیرفعال می‌شود.

جدول1. نمونه‌هایی از مطالعات انجام شده روی آلاینده‌ها در طول 20 سال گذشته
filereader.php?p1=main_827830bb6f81e8707
filereader.php?p1=main_4ef7fc9709538405e

6.4. پلیمریزاسیون
آخرین کاربرد فوتوکاتالیست‌ها، که تاکنون سخنی از آن به میان نیامده، پلیمریزاسیون ترکیبات مختلف است. همانند دیگر کاربردهای نانوفوتوکاتالیست‌ها، با کاهش ابعاد کاتالیست، خواص آن نسبت به نمونه توده‌ای بهبود قابل توجهی پیدا می‌کند. هافمن و همکارانش در سال 1993 ثابت کردند که آغازگر نوری اکسید روی توده‌ای نمی‌تواند ترکیب متیل متا‌آکریلات را پلیمریزه کند، در صورتی‌که نانوکاتالیست اکسید روی می‌تواند این کار را انجام دهد. هم چنین، نانوخوشه‌ سولفید کادمیم و نیمه‌هادی اکسید تیتانیوم، می‌توانند فرآیند پلیمریزاسیون منومرهای وینیلی مختلف را بهبود دهند. در حالی که حالت توده‌ای این مواد، اثربخشی بسیار کمتری دارند.

5. چالش‌های آینده و نتیجه‌گیری
در برخی موارد، آشنایی با فرآیندهای موجود در طبیعت و موجودات زنده می‌تواند به ما کمک کند تا نانوساختارهای جدید بهتری طراحی و تولید کنیم. این آشنایی هم در بخش ساده‌سازی، بهبود، زیبایی و هم رفع چالش‌ها به ما کمک می‌کند. در حوزه فوتوکاتالیست‌های نیمه‌هادی برای احیاء محیط‌زیست، ضرورت زیادی برای توسعه مواد فوتوکاتالیستی جدید وجود دارد تا بتوان با کنترل ساختار باند هدایت مواد، استفاده بیشتری از نور خورشید نمود. این کار نیازمند تحقیقات بیشتری در سراسر جهان بوده تا آزمایش‌ها و مطالعات سیستماتیک بیشتری در این حوزه انجام شود. یکی از کارهایی که می‌توان در این بخش انجام داد، بررسی ساز و کار واکنش‌های فوتوکاتالیستی است. درک ما از ویژگی‌های فصل‌مشترک دو ماده، انتقال بار در پیل‌های خورشیدی و حسگری آرایه‌ها برای رصد محیط‌زیست، به ما کمک می‌کند تا فناوری‌های تولید غشاء را بهتر توسعه دهیم.
در سال 2005 ابرامز و ویلکوسکون در مقاله‌ای مروری، معایب استفاده از اکسید تیتانیوم را در کاربردهای تجاری تبیین کردند. براساس مطالب منتشر شده در این مقاله، برای توسعه مواد اکسیدی مختلف دیگر (به جز اکسید تیتانیوم)، بهبود جذب نور در طیف نور مرئی با استفاده از حساس کردن و دست کاری باند گپ با دوپ شدن ساختاری، لازم است تحقیقات بیشتری صورت گیرد به این شکل که علم نانو، فوتوکاتالیست‌های جدید را به دنیا معرفی کند.
یکی دیگر از دغدغه‌ها، اثر نانوخوشه‌ها روی محیط‌زیست و میکروارگانیسم‌های زنده است. در حال حاضر، مقالات اندکی درباره نگرانی‌ها و اثرات منفی نانوذرات روی محیط‌زیست منتشر شده‌است. چیانلی و همکارانش به همراه کلوین، روی اثرات مختلف نانوذرات، نظیر افزایش تولید رادیکال‌های آزاد در تروپوسفر تحقیق کردند. شواهدی وجود دارد که مواد توده‌ای غیرسمی، نظیر اکسید تیتانیوم می‌تواند با کوچک‌تر شدن و رسیدن به مقیاس نانو، سمی شوند. آژانس بین‌المللی تحقیقات سرطان، غبارات اکسید تیتانیوم را در گروه ای‌آر‌سی سرطان‌زای 2B (ARC Group 2B carcinogen) دسته‌بندی کرده است.
ترکیب فناوری نانو و کاتالیست‌ها می‌تواند موجب بهبود عملکرد این مواد شود. اخیرا ثابت شده که پایداری گرافن و استفاده از آن در فوتوکاتالیست‌ها می‌تواند بسیار مفید باشد. پیشگامی جدید ایالات متحده آمریکا، به دنبال انتقال سریع مواد تازه کشف شده‌، از حوزه آزمایشگاه به کاربرد است. این امر، موجب پیدا شدن منابع جدید برای توسعه بازار و بهبود نانوکاتالیست‌ها خواهد شد.

منابـــع و مراجــــع

R.M. Mohamed, D.L. McKinney, W.M. Sigmund, Materials Science and Engineering: R Reports, 73(2012) 1–13

نظرات و سوالات

نظرات

1 0

ندا شیرزاد طاقانکی - ‏۱۳۹۵/۱۰/۱۲

از زحماتتون سپاسگزارم

پاسخ مسئول سایت :
باتشکر و آرزوی موفقیت برای شما عزیزان