برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

آمار مقاله
  • بازدید کل ۲۱,۱۰۸
  • بازدید این ماه ۳۸۸
  • بازدید امروز ۱۸
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۱۰۵
  • قبول شدگان ۸۸
  • شرکت کنندگان یکتا ۵۶
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۸۰
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

نانو دی‌اکسید تیتانیوم، روش‌های تولید و کاربردهای آن

در این مقاله دلایل استفاده از نیمه رسانای نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم بعنوان فتوکاتالیست بررسی شده و فازهای کریستالی آناتاز، روتایل و بروکیت آن از نظر ساختار فضایی مورد مطالعه قرار گرفته است. روش‌های تولید آزمایشگاهی و صنعتی نانوذرات دی اکسید تیتانیوم تشریح شده و کاربردهای آن در صنایع نساجی، تصفیه پساب و هوا مورد بررسی قرار گرفته‌است. تحقیقات نشان می‌دهد که فاز کریستالی آناتاز با دارا‌بودن انرژی باند شکاف بیشتر و فعالیت فتوکاتالیستی بالاتر نسبت به فازهای دیگر، بیشتر مورد استفاده قرار می‌گیرد و استفاده از نانو ذرات TiO2 در بسیاری از صنایع رویه صنعتی و تجاری‌شدن را در پیش گرفته است.

1. مقدمه
فتوکاتالیست از دو بخش "فتو" و "کاتالیست" تشکیل شده، که فتو معرف نوردهی و کاتالیست بیانگر فرآیندی است که سرعت واکنش انتقال شیمیایی را برای مواد شرکت کننده، بدون توقف واکنش افزایش می‌دهد. در سال‌های اخیر استفاده از نیمه رساناها به عنوان فتوکاتالیست برای تخریب آلودگی‌های آلی خیلی زیاد شده‌است. به علت ویژگی‌های نوری و الکتریکی، قیمت پایین، فعالیت فتوکاتالیستی بالا، ثبات شیمیایی، غیر سمی بودن، فراوانی و در دسترس بودن و عدم فرسایش و خوردگی در مقابل نور از تیتانیا به عنوان فتوکاتالیست رایج استفاده می‌شود [1]. زمانی که کاتالیست TiO2 تحت تابش فوتونی با انرژی مساوی یا بالاتر از گاف انرژی (eV 3.2) قرار گیرد حفره الکترونی که محرک گروه‌های واکنشی اکسیژنی از قبیل رادیکال هیدروکسیل و رادیکال سوپراکسید است، تولید می‌شود. این رادیکال‌ها مستقیماً درگیر فرآیند اکسیدکردن به منظور تجزیه آلودگی‌ها و باکتری‌ها هستند [2]. بعضی از ویژگی‌های ذرات که در فعالیت فتوکاتالیستی موثر هستند، عبارتند از ابعاد ذرات، ساختمان کریستال، سطح هیدروکسیل شونده، بلورینگی مطلق، شدت تابش نوری، جذب سطحی آلودگی، PH محلول و روش آماده‌سازی، در زمینة فتوکاتالیستی، اغلب کاربرد‌ها مربوط به پاکسازی هوا و آب یا ویژگی خود تمیز شوندگی مواد مختلف می‌شوند [3].

2. نانو دی اکسید تیتانیوم
دی اکسید تیتانیوم که با نام‌های اکسید تیتانیوم Iv یا تیتانیا شناخته می‌شود دارای فرمول شیمیایی TiO2 است که زمانی که به عنوان رنگدانه مورد استفاده قرار می‌گیرد. نام‌های تیتانیوم سفید، رنگدانه سفید و CI77891 به خود می‌گیرد. تمام خصوصیات دی اکسید تیتانیوم نیز در نانو دی اکسید تیتانیوم وجود دارد با این تفاوت که اندازه ذرات آن بسیار کوچک‌تر است و از این رو قابلیت و اثر کنندگی بیشتری دارد چرا که به واسطه کوچک بودن اندازه ذرات، سطح تماس بیشتر می‌شود و کارایی افزایش می‌یابد. زمانی که اندازه ذرات TiO2 به مقیاس نانو کاهش می‌یابد فعالیت فتوکاتالیستی می‌تواند افزایش یابد چرا که مساحت سطح موثر افزایش می‌یابد [4].

دی اکسید تیتانیوم در سه فاز اصلی (سه فاز کریستالی) وجود دارد: روتایل، آناتاز و بروکیت.

از بین این سه فاز، فاز روتایل پایدارتر است و دو فاز دیگر یعنی آناتاز و بروکیت در اثر حرارت به روتایل تبدیل می‌شوند. از نظر فضایی، فازهای روتایل و آناتاز تتراگونال هستند و بروکیت اورتورومبیک است. در شکل 1 (الف-ج) فازهای ساختاری آناتاز، روتایل و بروکیت مشاهده می‌شوند. البته برای برخی کاربردها از قبیل فیلترکردن معمولی محلول، نیاز به فاز کریستال نیست. فاز کریستالی زمانی ضروری است که کاربرد خاصی چون فتوکاتالیستی یا نیمه‌رسانایی مد نظر باشد. برای مثال فاز آناتاز برای رنگ‌های حساس نوری و کاتالیز نوری استفاده می‌شود و فاز روتایل بیشتر در دی الکتریک‌ها و حسگرهای اکسیژن دمای بالا به کار می‌رود [6].

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1. الف) ساختارهای بلوری الف) آناتاز، ب) روتایل و ج) بروکیت [5].

3. روش‌های صنعتی تولید نانو دی اکسید تیتانیوم
روش‌های متفاوتی برای تهیه پودر دی اکسید تیتانیوم وجود دارد از جمله: روش سولفاته، روش کلریده، مایع‌کردن گاز خنثی، سنتز با شعله اکسید TiCL4 و روش سل – ژل [7].
نانو دی اکسید تیتانیوم صنعتی با دو فرآیند پایه تولید می‌شود. در هر دو روش از FeTiO3 به عنوان ماده خام استفاده می‌شود.
فناوری سولفاته: ابتدا ماده خام سولفاته می‌شود و به وسیله اسید سولفوریک شسته و TiOSO4 به دست می‌آید که با تجزیه حرارتی به TiO2 تبدیل می‌شود.
فناوری کلریده: ماده خام کلریده می‌شود و TiCL4 به دست می‌آید و سپس خالص‌سازی اکسیداسیون با اکسیژن انجام می‌گیرد. شرکت Degussa از این روش برای تهیه P25 استفاده می‌کند. هر یک از این روش‌ها تیتانیایی با درصد فاز متفاوت ایجاد می‌کند. برای مثال در فناوری کلریده تیتانیا با 80 درصد فاز آناتاز و 20 درصد فاز روتایل تولید می‌شود [8].

filereader.php?p1=main_5f84c98f546f37c79

4. کاربردهای نانو دی اکسید تیتانیوم

رنگ‌های نساجی و عوامل رنگی صنعتی شامل گروه‌های بزرگی از ترکیبات آلی هستند که خطرات محیطی و آلودگی‌ها را افزایش می‌دهند. به علت وجود آروماتیک‌های بزرگ کنونی در مولکول‌های رنگ و ثبات رنگ‌های مدرن، روش‌های عملیاتی بیولوژیکی متداول برای تخریب و بی رنگ‌کردن آن‌ها بی اثر است. به هر حال روش‌های سنتی فیزیکی مثل جذب کربن فعال، اولترا فیلتراسیون، اسمز معکوس، انعقاد با عوال شیمیایی، تغییر تبادل یونی در سینتیک رزین جاذب، تنها ترکیبات آلی آب را به فاز دیگر می‌برد.
در سال‌های اخیر به علت ویژگی‌های جالب فتوکاتالیستی کریستال‌های دی اکسید تیتانیوم تحقیقات زیادی گزارش شده‌است. استفاده تجاری از نانو TiO2 به عنوان فتوکاتالیست در زمینه‌هایی چون الف) تصفیه آب ب) پاک سازی هوا ج) استرلیزه‌کردن/ضدعفونی‌کردن در دنیا فراگیر شده‌است. در بسیاری از کارهای انجام شده، رسوب‌دادن TiO2 بر روی سطوحی با مقاومت گرمایی بالا چون شیشه و سلیکا با روش سل – ژل گزارش شده‌است. دمای بالای 500 درجه سانتی‌گراد فیلم یا گروه آناتاز یا آناتاز/روتایل بر روی سطح سلیکا تولید می‌کند. اخیراً مطالعه‌های زیادی در زمینه هسته‌زایی آناتاز در دمای نسبتاً پایین گزارش شده‌است، از جمله؛

الف) پوشش‌دادن زیر لایه‌ها به روش سل – ژل در معرض آب جوش.
ب) روش سل – ژل در دمای 100 درجه سانتی گراد در معرض بخار آب.
ج) در دمای 180-60 به وسیله فیلم‌های SiO2 / TiO2 در معرض بخار آب.
د) نانوکریستال آناتاز اخیراً به وسیله محلول نمک الکل TTIP در دمای پایین با فرآیند سل-ژل با ابعاد 20 نانومتر بر روی پارچه پنبه‌ای تولید می‌شود.
ه) سفیدگری و مرسریزاسیون منسوجات پنبه‌ای فعال‌شده با پلاسمای RF و MW همراه با تابش نور ماوراء بنفش.

از TiO2 برای از بین بردن آلودگی‌های آلی چون پلی کلرو بی فنیل، تولوئن، سورفکتانت‌ها، حشره‌کش‌ها و ترکیبات فنلی، اسید‌های کربوکسیلی، سولفید‌های آروماتیک، هیدروکربن‌ها و رنگ‌های آلی استفاده می‌شود [8]. تخریب فتوکاتالیستی 2 TiO مواد زیادی چون 4-کلرو 2-متیل فنل، الکل‌های گازی، فرمالدهید، 3-آمینو 2- دی کلرو پریدین، فنل، 4- کلرو فنل، 2 و5- دی کلرو فنل، 2و 4و 5 تری کلرو فنل، 1و3و5- تری هیدرو کسی بنزن، 2و3- هیدروکسی فتالین و متیلن بلو در شرایط تابش مختلف مورد مطالعه قرار گرفته و ویژگی ممتاز این ماده تأیید شده‌است. که این مشوق بررسی روش‌های جدید برای ساخت منسوجات با ویژگی‌های خود تمیزشوندگی است. هر دو فاز آناتاز و روتایل دارای گاف انرژی هستند و فعالیت نوری دارند. فاز آناتاز قابلیت جذب UV را دارد و از آن برای کرم ضد آفتاب استفاده می‌شود. منظور از فعالیت نوری، تولید گروه‌های رادیکالی در سطح، تحت تابش نور خورشید است. با به کار‌بردن نانو 2 TiOبر روی سلولز یا پنبه پدیده خود تمیزشوندگی گزارش شده‌است [9]. همچنین از 2 TiO جهت خود تمیز شوندگی سطحی استفاده شده و محصولات تجاری چون سرامیک‌های حمام و آشپزخانه، پارچه‌ها، فیلتر‌های هوای خانگی و پنجره‌های شیشه‌ای با این ویژگی تولید می‌شود [10].

5. نتیجه گیری
نانو TiO2 با داشتن ویژگی‌های ممتاز، بیشتر از نیمه‌رساناهایی چون ZnO و Fe2O3 و CdS در تخریب فتوکاتالیستی با نیمه‌هادی‌ها در رفع آلاینده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. فاز کریستالی آناتاز با دارا بودن انرژی گاف ev 3.21، فعالیت فتوکاتالیستی مناسب‌تری نسبت به دیگر فازها دارد. در صنایع مربوط به تصفیه پساب و پوشش‌دادن زیر لایه‌های مختلف، پر کاربردتر است.

منابـــع و مراجــــع

1- J. Xua , Y. Aoa, D. Fua and et. al. J. of Phys. and Chem. of Solids, 69 (2008) 1980.

2- L. Armelao, D. Barreca and et. al., Nanotech. , 18 (2007) 375709.

3- M. E. Simonsen, H. Jensen and et al, J. of Photochem. and Photobio. A: Chemistry 200 (2008) 192.

4- A.P.S. Sawhney, B. Condon and et al Textile Research Journal, 78, (2008).

5- S. Watson, D. Beydoun, J. Scott and R. Amal, J. of Nanoparticle Research 6, (2004) 193.

6- X. Xiao, K. Ouyang, R. Liu, J. Liang, Applied Surf. Sci. 255 (2009) 3659.

7- W. S. Nam and G. Y. Han, Korean J. Chem. Eng., Vol. 20 (1) , (2003) 180.

8- J. Krýsa, M. Keppert, and et al, Mat. Chem. and Phys. 86 , (2004) 333.

9- D. H. Marsh, D. J. Riley, and et al, Particuology 7 (2009) 121.

10- A. J. Julson and D. F. Ollis, .Applied Catal. B: Environmental 65 (2006) 315.