تحصيلات تکميلي

نام و نام خانوادگي : مجتبي نصراصفهاني

دانشكده : علوم

استاد راهنما : دکتر محمدحسين حبيبي

تاريخ دفاع : 20/4/86

رشته و گرايش : شيمي-معدني

استاد مشاور : دکتر ولي اله ميرخاني

سنتز، شناسايي و بررسي خواص فتوکاتاليتيکي لايه‌هاي كامپوزيتي نانوساختار حاصل از تركيب لايه‌هاي نازك و نانو ‌پودر تيتانيوم دي‌اكسيد به روش سل- ژل

چكيده

تيتانيم دي‌اکسيد تحت تابش نور فرابنفش قادر به تخريب ترکيبات آلي و معدني است. پودرهاي سوسپانسيون و فيلم‌هاي لايه‌نازک تيتانيم دي‌اکسيد براي تخريب ترکيبات آلي استفاده شده است اما مساحت سطح پايين فيلم‌هاي لايه‌نازک تيتانيم دي‌اکسيد و مشکلات مربوط به جداسازي و فيلتر کردن پودرهاي تيتانيم دي‌اکسيد دو نقص عمده در کاربرد فتوکاتاليست‌هاي تيتانيم دي‌اکسيد است.

در اين تحقيق سه نوع فيلم کامپوزيتي نانوساختار جديد تيتانيم دي‌اکسيد بروش سل- ژل و بوسيله لايه‌نشاني چرخشي (Spin-coating) تهيه شد. فرآيند ساخت اين فيلم‌هاي کامپوزيتي شامل بهره‌برداري از نانوپودرهاي پيش کلسينه تيتانيم دي‌اکسيد بعنوان فيلر مخلوط شده با سل و عمليات حرارتي مي‌باشد. محلول سل از افزودن تيتانيم تترا ايزوپروپوکسيد (TTP) به مخلوط اتانول و هيدروکلريک اسيد (نسبت مولي بهينه TTP:H2O:EtOH:HCl به نسبت 1 : 10: 10: 1/1) تهيه و سپس با افزودن 5/0 درصد وزني متيل سلولز (MC) اصلاح مي‌‌شود. نانوپودرهاي تيتانيم دي‌اکسيد پيش کلسينه در سل ديسپرس و مخلوط حاصل روي اسلايدهاي شيشه‌اي به روش لايه نشاني چرخشي ته‌نشست شد. پايداري سوسپانسيون حاصل از اختلاط نانوپودر تيتانيم دي‌اکسيد و سل نسبت به غلظت MC و نانوپودر تيتانيم دي‌اکسيد بررسي و بهينه شد. مشکلات مربوط به غير يکنواختي در تهيه فيلم‌هاي کامپوزيتي که باعث پوسته پوسته شدن و ترک خوردن فيلم بخاطر انقباض فيلم در اثر عمليات حرارتي بعد از کلسينه کردن مي‌شود، با استفاده از متيل سلولز بعنوان يک کمک ديسپرس‌کننده جلوگيري شد. فيلم‌هاي کامپوزيتي در دماي حدود 500 درجه سانتي‌گراد عمليات حرارتي شد تا بالاترين مقدار چسبندگي را به سوبسترا داشته باشد. مورفولوژي سطح کامپوزيت توسط ميکروسکوپ روبش الکتروني (SEM) و ميکروسکوپ نيروي اتمي (AFM) يک افزايش قابل ملاحظه در مساحت سطح را نشان مي‌دهد. چسبندگي و نيروي اتصال بين فيلم کامپوزيتي و سوبستراي شيشه‌اي توسط آزمون خراش انجام و حداقل نيرويي که باعث جدا شدن کامل فيلم مي‌شود براي فيلم کامپوزيتي حاصل از نانوپودر ميلنيم MPC500، 350 گرم بر ميلي‌متر مربع بدست آمد.

خواص گرمايي، پيکربندي پيوند، عبور نور، فازهاي بلوري، اندازه ذرات ژل خشک شده حاصل از سل اصلاح شده با متيل سلولز و هيدروکسي اتيل سلولز (HEC) فيلم‌هاي لايه‌نازک و کامپوزيتي، به عنوان تابعي از دماي عمليات حرارتي توسط تکنيک‌هاي TG، FTIR، طيف سنجي مرئي- فرابنفش، ميکروسکوپ روبشي محيطي الکترون (ESEM) و طيف سنجي تفرق اشعه ايکس مورد ارزيابي قرار گرفت. بر اساس اين نتايج فيلم‌هاي لايه‌نازک تيتانيم دي‌اکسيد اصلاح شده با MC بعد از عمليات حرارتي در دماي 500 درجه سانتي‌گراد بطور کامل از فاز آلي عاري شده و نانوکريستال‌هاي تيتانيم دي اکسيد به ابعاد 16-15 نانومتر تشکيل مي‌شود.

فعاليت فتوکاتاليتيکي فيلم‌هاي لايه‌نازک و کامپوزيتي حاصل نسبت به تخريب چهار رنگينه آزو (متيل اورانژ، زرد روشن، سولوفنيل قرمز و تترترو مستقيم آبي) مورد ارزيابي قرار گرفت. وجود يک ساختار متخلخل با مساحت سطح بالا در فيلم‌هاي کامپوزيتي نسبت به فيلم‌هاي لايه نازک نقش مهمي در افزايش فعاليت فتوکاتاليتيکي دارد. بهترين بازده جهت تخريب فتوکاتاليتيکي رنگينه آزو زرد روشن در حضور فيلم کامپوزيتي حاصل از نانو ذرات تيتانيم دي اکسيد Degussa P25 با ضخامت حدود يک ميکرومتر و دماي عمليات حرارتي 500 درجه سانتي‌گراد در محيط اسيدي با غلظت ppm 5 از اين رنگينه آزو تحت تابش دو لامپ نور فرابنفش با حداکثر تابش در 365 نانومتر با شدت 8 وات مشاهده شد.

در مرحله آخر از اين تحقيق، به منظور ارتقاء فعاليت فتوکاتاليتيکي فيلم‌هاي کامپوزيتي ساخته شده، از فرآيند قرار دادن نقره بر روي سطح فيلم هاي کامپوزيتي با استفاده از تابش نور فرابنفش استفاده شد. نتايج نشان داد که فيلم‌هاي کامپوزيتي حاصل از نانو ذرات تيتانيم دي‌اکسيد فعاليت فتوکاتاليتيکي بالاتري در اثر قرار دادن نقره روي سطحشان نسبت به ساير فيلم‌هاي کامپوزيتي ساخته شده، نشان مي‌دهند.