پدیده فوتوکاتالیستی ممکن است بارها در حذف رنگ از سطوح خارجی ساختمان­ها که نتیجه­ای از اکسایش است مشاهده شده باشد. برای مثال در ترکیبات رنگی TiO₂ موجود می ­تواند با رسیدن تابشی از نور سبب اکسایش ترکیبات آلی شود. لذا این پدیده می تواند به نحو گسترده­ای در خالص­سازی آلودگی­های، آب، هوا و جامد مورد استفاده قرار گیرد. پس از دهه ۸۰ میلادی این شیوه به صورت مستمر برای خالص سازی آب و حذف آلاینده­ها از آن به کار گرفته شد. نانوفناوری پتانسیل ایفای نقش­های یگانه­ای در ارتباط با بحران­های محیط زیستی با خالص سازی آب را داشته و می تواند آلودگی­ها را تجزیه کرده و در آب حل کند. با افزودن فلزات به TiO₂ دیگریا عوامل گیرانداز^[۵۴] حفره می­توان عمر اکسیتون­های ساخته شده را افزود و این بدان معنی است که افزایش عمر زوج الکترون حفره با عدم ترکیب شدن آن­ها با همدیگر وابسته است. افزایش فلزات گروه VIIIB بر سطح TiO₂ سبب افزایش عمر زوج الکترون حفره با گیراندازی الکترون در تراز هدایت می شود. در بسیاری از تحقیقات پلاتین را به عنوان فلزی از این گروه برای افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی پیشنهاد کرده ­اند زیرا گیراندازی الکترون درآن در یک میکرو ثانیه اتفاق می­افتد]۲۸[.

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل(۳-۱) چگونگی فرایند فوتوکاتالیستی را با استفاد از تیتانیا و تحت نور فرابنفش به زیبایی نشان می دهد:
شکل۳- ۱- نمایی از فرایند فوتوکاتالیستی با تیتانیا و نور فرابنفش
در مقیاس­های آزمایشگاهی می توان تیتانیا را به روش­های متعددی چون سل-ژل، هیدروترمال، سنتز احتراقی، تبدیل گاز خنثی و مشابه آن بدست آورد. در دهه­های اخیر از روش سل-ژل در شاخه­ های علوم و فناوری مثل غشا­ها، بستر های متخلخل، اکسیدهای فوتوکاتالیستی، سرامیک، مواد شیشه ­ای، همچنین در ساخت مواد الکترونیکی استفاده شده است.
فناوری­نانو استفاده از خواص فوتوکاتالیستی نیمه رساناها را در سیستم­های پاک سازی هوا، گندزدایی آب، و خالص سازی آب بهبود می­بخشد. بسیاری از نیمه­رساناها دارای انرژی بند گپ کافی جهت انجام فرایند فوتوکاتالیستی هستند. در میان این نیمه رسانا ها TiO₂ به خاطر شرایط و خواص بیولوژیکی آن و پایداری آن در مقابل خوردگی نوری و شیمیایی و نیز اقتصادی بودن آن بسیار مورد علاقه قرار گرفته است]۲۹[.
در میان همه فرآیندهای اکسیداسیون پیشرفته^[۵۵] جداسازی فوتوکاتالیستی بسیار مؤثرتراست زیرا نیمه­رساناهای مورد استفاده ارزان بوده و نیز به آسانی می توانند ترکیبات آلی را معدنی کنند. مرحله اساسی در این فرایند شامل انتقال ابتدایی واکنش­گرها به سطح کاتالیست وجذب بر سطح آن می باشد، انجام آزمایش بر سطح کاتالیست، و دفع محصولات نهایی به فاز مایع می باشد. دو نوع فرایند فوتوکاتالیستی مستقیم و غیر مستقیم وجود دارد.
۳-۱-۱-۱- فرایند فوتوکاتالیستی مستقیم
به طور کلی برای چنین فرآیندی دو سازوکار پیشنهاد شده است:
۳-۱-۱-۱-۱- فرایند فوتوکاتالیستی همگن- فرایند لانگمیر- هینشلوود
این مورد به طور کلی می ­تواند فرآیندی را شرح دهد که براساس فرایند لانگمیر-هینشلوود استوار است، در این مورد تولید حفره و الکترون به وفور صورت گرفته و حفره های تولیدی بروی ترکیبات آلی قرار گرفته و باعث تولید رادیکال فعال شده که می تواند با ترکیب شدن با الکترون از بین برود. معادله لانگمیر- هینشلوود که می تواند چنین فرآیندی را شرح دهد چنین است:
( ۳-۱ )
در این عبارت، r نرخ اکسایش واکنش دهنده­ها، ثابت نرخ واکنش برای اکسایش واکنش­گرها و ثابت تعادل واکنش­گرهاست و C غلظت ترکیبات آلی است. با ساده کردن، این معادله به شکل یک معادله مرتبه اول به نظر می رسد.
۳-۱-۱-۱-۲- فرایند الای- رایدیل
دراین فرایند حامل­های بار ابتدا با گیراندازی حفره­ها بوسیله نقص­های سطحی توسط نور چند تکه می شوند. سطوح مرکزی فعال می توانند با ترکیبات آلی برای تشکیل محصولات متنوع واکنش دهند(جذب شیمیایی) و به راحتی می توانند تجزیه شده و یا با الکترون ها ترکیب شوند. واکنش های انجام شده در زیر آمده است:
(photogeneration of free carriers)(3-2)
hole trapping by surface defects) (3-3)
(physical decay of active centers) (3-4)
(chemisorption) (3-5)
products (3-6)
۳-۱-۱-۲- فرایند فوتوکاتالیستی غیر مستقیم
در این فرایند زوج­های الکترون حفره بر سطح کاتالیست تولید می شوند. گیراندازی حفره­ها توسط مولکول آب سبب تولید رادیکال هیدروکسیل و یون هیدرونیوم می شود. این رادیکال باعث تولید آب اکسیژنه شده یا با قرار گرفتن بر سطح ترکیب آلی سبب تولید محصولات جانبی و محصول نهایی می شود. علاوه براین گیراندازی الکترون­ها توسط اکسیژن سبب تولید رادیکال سوپراکسید که در نهایت می تواند سبب تولید آب اکسیژنه شده و رادیکال های تولیدی می تواند در نهایت به تولید محصول نهایی بیانجامد. مراحل آن در زیر آمده است:
(۳-۷)
(۳-۸)
(۳-۹)
(۳-۱۰)
(۳-۱۱)
(۳-۱۲)
(۳-۱۳)
استفاده از فرایند فوتوکاتالیستی ناهمگن شامل TiO₂ نوید بخش فناوری نوینی برای حذف ترکیبات آلی است.گرچه مشکل عمده استفاده از چنین کاتالیستی بالا بودن درصدترکیب شدن زوج الکترون و حفره می باشد. بعلاوه این کاتالیست در ناحیه مرئی به علت بند گپ پهنش (ev 3/3 برای روتایل و ev 18/3برای شکل آناتاز) غیر فعال است. این عوامل سبب عدم فعالیت آن در نور خورشید می شود. روش­های متعددی وجود دارد که این کاتالیست فوتون را با انرژی کمتری به خوبی جذب کند. این روش­ها شامل همراه کردن آن با مواد نیمه­رسانا و فلزات و همچنین نارساناست. مواد همراه مثل فلزات واسطه در اثر اضافه شدن به این کاتالیست سبب کاهش ترکیب شدن زوج الکترون حفره شده و نیز با القاء جابجایی بتو-کرومیک سبب کاهش بندگپ شده که باعث می شوند نور مرئی را بهتر جذب کند]۳۰[.
همراه شدن TiO₂ با اکسیدهای نیمه­رسانا جداسازی الکترون حفره را تحت تابش افزوده و باعث خاصیت فوتوکاتالیستی بهتر می شود. در کامپوزیتی از ZnO/TiO₂ ، انتقال الکترون از تراز هدایت ZnO فعال نوری به تراز هدایت TiO₂فعال نوری صورت گرفته وهمچنین عمل معکوس نیز انجام خواهد شد. انتقال حفره نیز به طور موازی از تراز ظرفیت TiO₂ به تراز ظرفیت ZnO صورت می گیرد]۳۰[.
استفاده از فرایند فوتوکاتالیستی مزایایی دارد ازجمله:
آ- انجام پذیری در دمای اتاق
ب- تولید مواد واسطه و محصولات نهایی بی خطرمانند کربن دی اکسید و آب از مواد آلی
پ- هزینه ناچیز آن و این­که می تواند بر بسترهای مختلفی قرار گیرد.
ت- حفره و الکترون تولیدی به ترتیب دارای توانایی بالقوه در اکسایش و کاهش ترکیبات برای تولید سوپراکسیدها دارند]۳۱[.
۳-۲-آزمایشگاه
انجام فعالیت های مربوط به کار آزمایشگاهی براساس برنامه مدون شده در طرح پیشنهادی انجام شد که می توان هرکدام از موارد انجام شده را در زیر آورد:
۳-۲-۱- شناخت و تهیه مواد و وسایل موردنیاز برای انجام کارهای آزمایشگاهی
در این بخش فهرستی از وسایل و مواد مورد نیاز برای انجام کار آزمایشگاهی تهیه و بخشی از وسایل و مواد بکار رفته دراین پروژه و پروژه های موازی که بقیه اعضای گروه در حال انجام آن بودند به قرار زیر است:
۱) دستگاه اندازه گیری توزیع اندازه ذره ^[۵۶] ۲) دستگاه میکروسکوپ الکترونی روبشی ^[۵۷]
۳) دستگاه میکروسکوپ الکترونی انتقالی ^[۵۸] ۴) ترازوی دیجیتال
۴) دستگاه التراسنیک ۵) دستگاه اسپکتروفتومتر
۶) دستگاه pH سنج ۷) دستگاه همزن مغناطیسی
۸) دستگاه سانتریفیوژ ۹) دستگاه خشک کن
۱۰)فوتو رآکتور بستر سیال^[۵۹] ۱۱) انواع پمپ
۱۲) فنول ۱۳) تیتانیوم ایزوپروپوکساید
۱۴) متانول ۱۵) اتانول
۱۷) استات روی ۱۷) نیترات روی
۱۸) سولفات مس ۱۹) نیترات مس
۲۰) هیدروکلریک اسید ۲۱) سود سوزآور