18388

۱۸۳۸۸

بررسي اثر دوپنت‌هاي فلوئور، منگنز و نيتروژن بر پوشش‌هاي فوتوكاتاليستي تيتانيا

كارشناسي ارشد

سراميك

مهر ماه ۱۳۹۶

دكتر فرهاد گلستاني فرد - دكتر سعيد رستگاري

مواد و متالورژي

پوشش¬هاي نانوساختار تيتانيا تحت تابش نور فرابنفش فعاليت فوتوكاتاليستي بالايي دارند اما با گسترش آستانه جذب اين پوشش¬ها از منطقه فرابنفش به مرئي مي توان كارايي فوتوكاتاليستي آن¬ها را به ميزان قابل توجهي بهبود بخشيد. به همين منظور، پوشش¬هاي تيتانيا دوپ شده با عناصر فلزي يا غير فلزي با خاصيت فوتوكاتاليستي بالا تحت تابش نور فرابنفش و مرئي تهيه شدند. در اين پژوهش، سل تيتانياي خالص و سل¬هاي حاوي مقادير مختلف عناصر نيتروژن، منگنز و فلوئور به عنوان دوپنت به ترتيب با استفاده از پيش ماده¬هاي اوره(CH4N2O)، منگنز نيترات (MnN2O6 * 4 H2O) و آمونيوم فلورايد(NH4F) به روش سل ژل تهيه و پس از تعيين ضخامت بهينه بر روي زيرلايه-هاي شيشه(سودالايم) با روش غوطه وري اعمال شدند. نمونه¬هاي پوشش داده شده در دماي 100 درجه سانتيگراد خشك و در دماي 500 درجه سانتيگراد كلسينه شدند. به منظور شناسايي تركيب فازي پوشش¬ها از نمونه¬ها آناليز اشعه ايكس و آناليز اشعه ايكس با زاويه كم(Grazing Incidence XRD) گرفته شد. همچنين براي بررسي خواص نوري از آزمون DRS و به منظور مطالعه ضخامت و ريزساختار پوشش¬ها از ميكروسكوپ الكتروني روبشي-گسيل ميداني(FE-SEM) استفاده شد. جهت بررسي خواص فوتوكاتاليستي پوشش¬ها، توانايي آن ها در تجزيه محلول متيلن بلو و رودامين B تحت تابش نور فرابنفش و مرئي اندازه گيري شد. نتايج آزمون¬ها نشان داد كه پوشش¬هاي نانوساختار تيتانيا به ضخامت حدود 308 نانومتر بر روي زيرلايه شيشه تشكيل شدند. افزودن دوپنت نيتروژن موجب كاهش انرژي نوار ممنوعه تيتانيا و انتقال لبه جذب به سمت محدوده مرئي شد كه اين عامل، بهبود عملكرد فوتوكاتاليستي مرئي در اين نمونه¬ها را به همراه داشت. در بين نمونه¬هاي دوپ شده با نيتروژن، نمونه با نسبت مولي =N/Ti5/1 بهترين خاصيت فوتوكاتاليستي تحت تابش نور مرئي و =N/Ti 1 بهترين خاصيت فوتوكاتاليستي تحت تابش نور فرابنفش را نشان داد و نسبت به نمونه تيتانياي خالص، به ترتيب به ميزان 28 % در تجزيه محلول رودامين B تحت تابش نور مرئي و 36 % در تجزيه متيلن بلو تحت تابش نور فرابنفش موفق تر عمل كردند. در نمونه¬هاي دوپ شده با منگنز، كاهش انرژي نوار ممنوعه تيتانيا و تشكيل پوشش¬هايي با ريزساختار نسبتا يكنواخت تر در مقايسه با تيتانياي خالص، عملكرد فوتوكاتاليستي تحت تابش نور مرئي و فرابنفش را بهبود بخشيد. در بين نمونه هاي دوپ شده با مقادير مختلف منگنز، نمونه با كمترين ميزان منگنز(=Mn/Ti 001/0 %) داراي بهترين عملكرد فوتوكاتاليستي بود و محلول رودامين B و متيلن بلو را به ترتيب به ميزان 19 % و 44 % بيشتر از نمونه تيتانياي خالص تجزيه كرد. در نمونه دوپ شده با فلوئور، انرژي نوار ممنوعه تيتانيا نسبت به تيتانياي خالص به صورت قابل ملاحظه اي كاهش نيافت اما تشكيل پوششي با يك ريزساختار بسيار يكنواخت و با اندازه ذرات ريزتر موجب بهبود عملكرد فوتوكاتاليستي اين نمونه¬ها تحت تابش نور فرابنفش شد به طوري كه ميزان تجزيه محلول متيلن بلو در نمونه دوپ شده با فلوئور به ميزان56 % بيشتر از نمونه تيتانياي خالص بود. در دوپ سه گانه تيتانيا با نيتروژن، فلوئور و منگنز به صورت همزمان، عملكرد فوتوكاتاليستي تحت هر دو تابش نور مرئي و فرابنفش نسبت به تيتانياي خالص به صورت قابل توجهي بهبود يافت كه اين پديده را مي توان نتيجه ي تاثير همزمان دوپنت¬ها بر ريزساختار و ساختار نواري تيتانيا دانست. به عبارت ديگر دوپنت¬هاي نيتروژن و منگنز با كاهش انرژي نوار ممنوعه تيتانيا و افزايش ميزان جذب و دوپنت فلوئور با ريزدانه تر كردن ساختار و ايجاد پوششي با ريزساختار همگن و يكنواخت موجب بهبود عملكرد فوتوكاتاليستي تحت تابش نور مرئي و فرابنفش شدند. در بين نمونه¬هاي دوپ شده با يك دوپنت، پوشش تيتانياي دوپ شده با نيتروژن داراي بهترين عملكرد فوتوكاتاليستي تحت تابش نور مرئي و نمونه دوپ شده با فلوئور داراي بهترين عملكرد تحت تابش نور فرابنفش بود كه علت اين پديده را به ترتيب مي توان به كاهش انرژي نوار ممنوعه تيتانيا و ايجاد يك ريزساختار همگن و ريزدانه تر نسبت داد.

1396/11/01

1/21/2018 12:00:00 AM

Nanostructured Titania coatings show high photocatalytic activity under UV radiation, but by extending the absorption threshold from UV to visible region, the photocatalytic efficiency of these coatings can be significantly improved. For this purpose, doped Titania coatings with high-photocatalytic activity under ultraviolet and visible radiation are prepared. In this study, pure titanium sol and soles containing different amounts of nitrogen, manganese and fluorine as dopant were prepared by sol gel metjod, using urea (CH4N2O), manganese nitrate (MnN2O6 * 4H2O) and ammonium fluoride (NH4F ) as precursors. after determining the optimum thickness, soles were applied on glass substrates (Soda lime) by dip coating method. The coated samples were dried at 100 ° C and calcined at 500 ° C. X-ray analysis and Grazing Incidence XRD analysis were used to identify the coatings phase composition. optical properties were investigated by DRS and the thickness and coatings microstructure were studied with scanning electron microscopy (FE-SEM). In order to study the photocatalytic properties of the coatings, their ability to decompose methylene blue and rhodamine B solution under ultraviolet and visible radiation was measured. The results showed that nanostructured titania coatings were308 nm in thickness on the glass substrate. nitrogen doping reduced the bandgap energy and shifted the absorption edge to the visible region, which resulted in better photocatalytic performance between the samples. Among the nitrogen-doped samples, the samples with molar ratio 1.5= N / Ti and = N / Ti 1 showed the best photocatalytic activity under visible light and UV irradiation repectively.In manganese doped coatings, titania bandgap energy reduction and formation of coatings with more uniform microstructures compared with pure titanium, improved the photocatalytic performance under UV and visible light irradiation. Among the doped samples with different manganese values, the sample with the lowest manganese content (= Mn / Ti 001/0%) had the best photocatalytic activity. In the fluorine doped sample, Titania band gap energy was not significantly reduced compared to pure titanium, but the formation of a coating with very uniform microstructure and smaller particle size improved the photocatalytic activity of these samples under uv irradiation and. The rate of methylene blue dissolution in the F-doped sample was 56% higher than pure titanium. in titania doped with nitrogen, fluorine and manganese, photocatalytic activity under both visible and UV radiation was considerably improved compared to pure titanium, which can be attributed to the simultaneous effect of dopants on microstructure And titania band structure. nitrogen and manganese dopants reduced titania band gap energy and increased the absorption and fluorine dopant improved the photocatalytic activity under visible light and UV radiation light by fine-tuning the structure and creating a homogeneous microstructure coating. Among doped samples with one dopant, the N-doped titania showes the best photocatalytic activity under visible light irradiation, and F-doped fluoride sample has the best UV-light performance, which can be attributed to band gap reduction and a homogeneous and fine-grained microstructure.