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].


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].


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.