اولین سل فوتوکاتالیستی
۱۳ بهمن

تعریف:

فوتوکاتالیست ها موادی هستند که انرژی را از طول موج خاصی از نور دریافت کرده و باعث انجام واکنش های شیمیایی می شوند بدون اینکه در واکنش مصرف شوند.

اکسید تیتانیم TiO2 به عنوان رنگ سفید در قدیم کاربرد داشته و به عنوان یک ماده پایدار ،غیر سمی  و ارزان می شناسند. این ماده در ناحیه مرئی جذبی از خود نشان نمی دهد از این رو به سفید دیده می شود.

در سال ۱۹۵۶ دانشمند ژاپنی مقاله ای تحت عنوان ”اکسیداسیون به وسیله فوتوکاتالیست Tio2 ”منتشر کرد. آنها از پودر Tio2 در حلال های آلی مختلف مانند الکل و هیدروکربن ها تحت تابش  UVلامپ جیوه قراردادند. حلال ها در این آزمایش بطور خودبه خود  اکسید شده وبطور همزمان H2O2 تولید می شود.

در سال ۱۹۶۷ هنگامی که فوجی شیما مشغول انجام آزمایش بود با پدیده جالبی برخورد کردند. آنها مشاهده کردند که به هنگام قرار دادن ذرات از جنس TiO2 در آب، هنگامی که در معرض نور خورشید قرار می گیرد حباب هایی تشکیل می شود که پس از آنالیز معلوم شد گاز فوق اکسیژن بوده بنابراین آب به اکسیژن و هیدروژن تجزیه شد. آنچه در سطح اکسید تیتانیم رخ داد پدیده فوتوکاتالیستی بود که بعدها به اثر فوجی شیما-هوندا نامیده شد.

فرمول فوتوکاتالیست

فوتوکاتالیست

در سال ۱۹۶۹ هوندا و همکاران در یک پروژه مشترک دیوارها و کف یک بیمارستان با کاشی های روکش شد که دارای پوششی از TiO2 بودند. در این تحقیق مشخص شد که تعداد باکتری ها و مواد آلاینده روی سطوح و هوا به سرعت کاسته شد. آنها همچنین دریافتند که این ماده می تواند در تجزیه موادی استفاده شود که حتی در مقادیر کم نیز مساله ساز بودند .

در سال۱۹۹۰  اولین سل فوتوکاتالیستی با استفاده از الکترودهای TiO2 و Pt ساخته شد که بدون اعمال جریان الکتریسیته از بیرون و تنها در معرض نور می تواند آب را به اکسیژن و هیدروژن تجزیه کند.

اولین سل فوتوکاتالیستی

ویژگی فوتوکاتالیست ها:

فوتوکاتالیست ها از جنس نیمه رساناها مانند اکسید  تیتانیم  (TiO2) اکسید روی (ZnO) اکسید تنگستن (WO3) و سولفید کادیم (CdS) و غیره می باشد. که از این میان اکسید تیتانیم و اکسید روی به علت پایداری شیمیایی بالا، سمیت پایین، فراوانی و همچنین کارایی بیشتر نسبت به دیگر نیمه رساناها کاربرد دارند.

نیمه رساناها خود به دو دسته نوع n(negative) و نوع p(positive) تقسیم بندی می شوند که کارکرد هر کدام در فوتوکاتالیست ها متفاوت می باشد. در نیمه رسانا نوع n تمایل به گرفتن الکترون و در نوع p تمایل به از دست دادن الکترون دارد.

—در نیمه رساناها بر خلاف عایق ها و رساناها، بین نوارهای اصلی انرژی، ترازهای انرژی وجود دارد که به آنها باند انرژی یا گاف انرژی می گویند. که در این حالت در اثر تحریک جزیی مانند نور یا گرما الکترون از تراز انرژی پایه به تراز انرژی بالاتر برانگیخته می شود.

—تیتانیم دی اکسید TiO2که یک نیمه رسانا نوعn  می باشد. آرایش الکترونی حالت پایه تیتانیم به صورت [Ar] 3d2 4S2 می باشد، که در پیوند با اکسیژن بصورت Ti+4می باشد که در این حالت انتقال الکترون بین ترازهای  pو  dبه آسانی صورت می گیرد.

در نتیجه TiO2در اثر برخورد نور UV الکترون از باند ظرفیت به باند هدایت برانگیخته می شود. با این برانگیختگی الکترون یک حفره در باند ظرفیت و یک الکترون در باند هدایت شکل می گیرد. که این حفره و الکترون در یک سری از واکنش های اکسایش و کاهش شرکت کرده موجب اکسید و کاهش مولکولهای در سطح تماس فلز می شود.

 

Tio2+hv

 

فوتوکاتالیست و ویژگی

در فلزات به علت نبود گاف انرژی یا باند انرژی، فقط می توانند به صورت اکسنده و یا کاهنده عمل کنند در صورتی که در نیمه رساناها یا فوتوکاتالیست ها به علت وجود گاف انرژی می توانند در واکنش های اکسایش-کاهش به طور همزمان شرکت کنند. یعنی در سطح فوتوکاتالیست یک گونه اکسید شده و گونه ای دیگر به طور همزمان کاهش می یابد. این واکنش اکسایش-کاهش همزمانی اساس کار فوتوکاتالیست می باشد.

 

انرژی الکترون

 

فوتوکاتالیست ها بر اساس انرژی گاف پیوند تقسیم بندی می شوند. مبنای این انرژی را پتانسیل کاهشی آب قرار داده از این رو فوتوکاتالیست ها به اکسنده، کاهنده و اکسنده-کاهنده تقسیم می شوند. بهترین و کارامدترین فوتوکاتالیست ها از نوع اکسنده-کاهنده می باشد

OR Type – Oxidation & Reduction

R Type    – Reduction

O Type    – Oxidation

X type      – None

H2o

band gap

کاربرد فوتوکاتالیست ها:

  • تولید هیدروژن
  • عامل ضدعفونی کننده و گندزدا
  • جذب اشعه ماورا بنفش
  • اکسایش انتخابی

تولید هیدروژن:

هیدروژن فراوانترین عنصر طبیعت بوده به عنوان یک سوخت پر انرژی و پاک مورد توجه قرار گرفته است.  هیدروژن به صورت آزاد روی زمین وجود ندارد و این عنصر همیشه به صورت ترکیب با عناصر دیگر مانند اکسیژن، کربن و غیره وجود دارد.  برای بدست آوردن هیدروژن از این ترکیبات روش هایی مانند تخمیر مواد آلی و الکترولیز آب بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. انرژی مورد نیاز در الکترولیز آب می تواند  جریان الکتریسیته و یا  نور خورشید به همراه فوتوکاتالیست ها باشد که در روش دوم به علت فراوانی منبع انرژی مورد توجه قرار گرفته است.

 

تولید هیدروژن

 

همانطور که گفته شد در اثر برخورد نور با سطح فوتوکاتالیست یا نیمه رسانا یک حفره و الکترون در باند ظرفیت و هدایت تشکیل می شود. این حفره و الکترون در واکنش با مولکولهای آب، سبب اکسایش و کاهش مولکولهای آب شده و منجربه تشکیل گاز اکسیژن و هیدروژن می شود.

 

معادله

 

ترکیب مجدد

 

با استفاده از یک سل فوتوالکتروشیمیایی که دارای دو الکترود Pt و TiO2 است و بدون استفاده از هیچ جریان خارجی و تنها با استفاده از نور UV می توان هر دو گاز اکسیژن و هیدروژن بدست آورد. واکنشی که در الکترود ها اتفاق می افتد به صورت زیر می باشد:

 

معادله

 

electrochemical photocell

 

تولید هیدروژن با استفاده از فوتوکاتالیست ها در حال حاضر مورد توجه قرارگرفته و این به علت منبع انرژی پایدار نور خورشید می باشد. تنها عیب روش فقط ۴% نور خورشید دارای نور UV می باشد و این در حالی است که برای برانگیختگی سطح فوتوکاتالیست نیاز به نور UV می باشد. برای برطرف کردن این عیب تلاش های زیادی شده تا بتوان الکترود هایی ساخت که با نور مرئی برانگیخته شود که نمونه ای آن استفاده از روش ترکیب چندین اکسید فلزی می باشد. در این روش از ترکیب نیمه رساناهایی با باند ظرفیت و هدایت نزدیک به هم استفاده می شود که نمونه از آن In1-xNixTaO4 می باشد.

خود TiO2 دارای سه فاز کریستالی می باشد که انرژی گاف پیوند در هر کدام متفاوت می باشد.

Anatase          ۳٫۲    eV

Rutile              ۳٫۰۲  eV

Brookite          ۲٫۹۶   eV

ازمیان سه فاز کریستالی تنها آناتازاست که بهترین خاصیت فوتوکاتالیزوری از خود نشان می دهد. و این به دلیل پتانسیل کاهشی بالاتر آن نسبت به دیگر فازها می باشد.

عامل ضد عفونی کننده و گندزدا:

روش اکسایش فوتوکاتالیزوری یکی از روش های اکسایش پیشرفته ای که در سالهای اخیر به منظور حذف انواع آلاینده ها، باکتری ها، قارچ ها و غیره از محیط مورد توجه قرار گرفته است. طی فرایند اکسایش فوتوکاتالیزوری مواد آلاینده موجود در آب و هوا در اثر تابش اشعه فرابنفش و در حضور نیمه رسانا به طور کامل به کربن دی اکسید، آب و سایر مواد بی اثر تجزیه می شود. این فرایند عکس فرایند فوتوسنتز در گیاهان می باشد.

عامل ضدعفونی کننده و گندزدا

در برخورد نور با سطح فوتوکاتالیست و تشکیل حفره و الکترون، این حفره و الکترون  با مولکولهای آب و اکسیژن سطح فوتوکاتالیست واکنش داده سبب تولید یک سری از رادیکالها می شود، که این رادیکالها سبب تجزیه آلودگی های مواد آلی، غشای  میکروارگانیسم ها و قارچ ها میشود. یکی از این رادیکالها، رادیکال هیدروکسی می باشد که قدرت اکسید کنندگی بالایی و نزدیک به فلوئور دارد. همچنین حفره ای تشکیل شده نیز یک عامل اکسنده قوی در تجزیه آلودگی نقش مهمی دارد.

h+h2o

hv

مزیت و کاربردها:

مهمترین کاربرد فوتوکاتالیست ها به عنوان یک عامل ضدعفونی کننده – ضدباکتری وگندزدا در تصفیه آب، هوا و غیره می باشد بطوری که گندزدایی با استفاده از ذرات تیتانیم دی اکسید ۳ برابر کلراسیون و ۱٫۵ برابراوزوناسیون موثرتر می باشد. از دیگر مزیت های این روش می توان به:

  • تجزیه آلودگی های ناشی از مواد آلی
  • تبدیل صد درصد گازهای مضر به آب و کربن دی اکسید
  • طول عمر بالا

همچنین از این مواد در تجزیه و تخریب مواد آلی که  در محیط زیست به سختی و کندی صورت می گیرد مانند آفت کش ها، رنگ ها، مواد آلی   کلردار و غیره کاربرد فراوان دارد. یک نمونه از این مورد رنگ های آزو هستند که در حالت عادی پایداری زیادی داشته و به کندی تجزیه می شود در صورتی که در حضور TiO2 به آسانی تجزیه می شود.

کاربرد فوتوکاتالیست ها:

در صنعت ساختمان بعد از نانو تیوب های کربنی نانو ذرات TiO2 و نانو اکسید روی هستند که به عنوان پوشش در سطوح سیمان، سنگ، چوب و شیشه کابرد دارند. این نانو پوشش ها با جذب اشعه ماورابنفش خورشید از گرم شدن ساختمان، همچنین به عنوان یک محیط آنتی باکتری که قادر است در تجزیه مواد ارگانیکی و غشای میکروارگانیسم ها عمل کند.

در صنایع خودروسازی با استفاده از نانو ذرات TiO2 برای تجزیه گازهای سمی خروجی اتومبیل ها مانند Nox و VOC کاربرد دارند. در این حالت می توان با ستفاده از فوتوکاتالیست هایی که در ناحیه مرئی جذب دارند استفاده نمود مزیت این روش نسبت به دیگر روش عبارت از:

  • تبدیل صد درصد گازهای مضر به آب و دی اکسید کربن
  • طول عمر بالا
  • دوست دار محیط زیست و عدم ایجاد هرگونه آلودگی اضافی

ازدیگر کاربردهای فوتوکاتالیست ها در مواد آرایشی و بهداشتی مانند کرم های ضد آفتاب می باشد. در این مواد از ذرات ZnO وTiO2  استفاده می شود که توانایی زیادی در جذب نورUV  داشته و مانع از رسیدن این امواج به پوست می شوند.

جذب تابعی از تعداد ذرات و اندازه ذرات می باشد که با ظهور فناوری نانوو ریزتر شدن ذرات علاوه بر اینکه در مسیر نور تعداد ذرات بیشتری قرار دارد، طول موج های کوتاهتر بیشتر جذب می کند. در نتیجه نانو ذرات TiO2 انرژیUV بشتری از ذرات با اندازه معمولی جذب می کنند.

با ظهور فناوری نانو و ساخت نانو تیوب های کربنی و فلورن ها انقلابی در استفاده از فوتوکاتالیست ها به وجود آمد. با قرار دادن نانو ذرات اکسید روی و تیتانیم دی اکسید بر روی فلورن ها و نانوتیوب های کربنی علاوه بر افزایش سطح آنها، سبب برانگیختگی آنها بوسیله ای نور مرئی می شود. تمایل زیاد آلتروپ های کربن به الکترون سبب تشکیل یک محیط اکسید کننده قوی می شود سبب تجزیه آلودگی های مواد آلی و میکروارگانیسم ها می شود. مهمترین کاربرد این مواد در بیمارستان ها برای ضدعفونی کردن وسایل جراحی می باشد.

 

نانو                  نانو

TiO2

تقریبا” ۹۵% تیتانیم به شکل دی‌اکسید تیتانیم TiO2  مصرف می‌شود که رنگدانه سفید ثابتی است با قدرت پوشش خوب در رنگها ، کاغذ و پلاستیکها. رنگهایی که با دی‌اکسید تیتانیم ساخته می‌شوند، منعکس‌کننده‌های بسیار خوب پرتو مادون قرمز هستند و بنابراین منجمان ، بطور گسترده ای از آن استفاده می‌کنند.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *