11370

11370

بررسي تاثير اندازه حفرات بر ريز ساختار و خواص فتوكاتاليستي مزوپور سيليكا-تيتانيا

دكتري

مهندسي مواد - سراميك

اسفند 1391

اسفند 1391

دكتر علي بيت اللهي - دكتر جعفر جوادپور

چكيده: مواد مزوپور پايه سيليكاتي امروزه جايگاه ويژه¬اي در صنايع مختلف به عنوان كاتاليست¬ها، صافي¬ها و انتقال دهنده¬هاي جرمي به خود اختصاص داده¬اند. در اين مجموعه، مزوپورهاي تيتانيا-سيليكا به¬دليل قابليت افزايش خواص فتوكاتاليستي نسبت به تيتانياي خالص توجه محققين را به خود معطوف كرده است. از جمله پارامترهاي موثر بر خواص فتوكاتاليستي اين مواد عبارتند از: سطح ويژه، نوع فاز بلوري ذرات، درجه بلورينگي، گاف انرژي و اندازه حفرات. از آنجايي كه اندازه بزرگ¬تر حفرات، احتمال بسته شدن حفرات را كاهش مي¬دهد و در نتيجه امكان استفاده بهينه از سطح ويژه مواد مزوپور را فراهم مي¬آورد، در اين پروژه، در گام نخست، تاثير پارامترهاي سنتز بر اندازه حفرات مزوپور سيليكاتي بررسي شد. در اين راستا با تغيير دماي هيدروترمال (70، 100و C°130)، ميزان نسبت هگزان به P123 به عنوان عامل بزرگ كننده حفرات (120، 240و 360) و تغيير دماي سنتز (15و C°40) ساختار مزوپور SiO2 با حفرات بزرگ (تا حدود 20 نانومتر بسته به شرايط سنتز) تهيه شد كه با كنترل شرايط سنتز، ساختار منظم و فومي به¬دست آمد. افزايش دماي هيدروترمال باعث بزرگ¬تر شدن هسته ميسلي بدليل انتقال بخش PPO به مركز ميسل و كاهش ميكروحفرات ديواره¬هاي سيليكاتي مي¬شود كه اين امر موجب حصول حفرات بزرگتر و كاهش سطح ويژه مي¬شود. از طرف ديگر به منظور بزرگ¬تر كردن حفرات هگزان به عنوان عامل آبگريز با نسبتهاي مختلف به سيستم اضافه شد كه دو نكته قابل توجه است. نخست آنكه، ميزان هگزان وارد شده به هسته ميسلي و در نتيجه ميزان افزايش سايز حفرات مستقل از ميزان هگزان اضافه شده است و هگزان اضافي نمي¬تواند وارد ميسل شود. نكته ديگر اينكه، ميزان هگزان وارد شده به دما وابسته است و افزايش دما باعث افزايش ميزان حلاليت هگزان درون هسته ميسل مي¬شود كه اين امر باعث تشكيل ساختار فومي با حفرات بزرگ در دماي سنتز بالا (C°40) و ساختار منظم با حفرات بزرگ در دماي سنتز پايين (C°15) مي-شود. به طور كلي در اين مرحله، سه پارامتر دماي هيدروترمال، تاثير حضور هگزان و دماي سنتز بصورت سيستماتيك بر اندازه و خواص حفرات مورد بررسي قرار گرفت. سپس در مزوپورهاي سيليكاتي سنتز شده تحت شرايط مختلف، با كنترل pH محيط، ذرات تيتانيا بدرون حفرات و روي سطح سيليكاتي هدايت شدند و در نهايت در دماهاي مختلف كلسينه شدند (400، 600و C°800). به¬علاوه تاثير اندازه حفرات، شكل حفرات (منظم و فومي) و دماي كلسيناسيون بر خواص فيزيكي و فتوكاتاليستي محصولات سنتز شده مورد بررسي قرار گرفتند. نتايج حاصل نشان داد كه، بدليل حضور پيوندهاي Ti-O-Si در سيستم در تمام نمونه¬ها و در تمام دماهاي كلسيناسيون (400، 600و C°800) فاز آناتاز فاز پايدار است. از طرفي در اين سري از نمونه¬ها خواص فتوكاتاليستي با سطح ويژه ارتباط مستقيم داشت و نمونه¬هاي با سطح ويژه بالاتر بازدهي فتوكاتاليستي بيشتري داشتند. در مرحله بعد، سنتز مزوپور كامپوزيتي SiO2-TiO2 دنبال شد. براي سنتز اين محصولات، منبع تيتانيا (TTIP) حين سنتز مزوپور سيليكاتي به سيستم اضافه شد. در اين مرحله، اثر دماي هيدروترمال(70، 100و C°130)، دماي سنتز (15و C°40)، دماي كلسيناسيون (600، 800و C°1000) و تاثير افزايش هگزان بر ساختار و خواص فتوكاتاليستي به¬صورت سيستماتيك بررسي شد. از نكات قابل توجه در اين سري از نمونه¬ها تاثير دماي هيدروترمال بر فازهاي تيتانياي تشكيل شده و در نتيجه بر خواص فتوكاتاليستي بود. به عبارت ديگر افزايش دماي هيدروترمال باعث ترغيب تشكيل فاز آناتاز شد. به طور كلي در اين نمونه¬ها، تاثير دو پارامتر درصد فازهاي تشكيل شده و سطح ويژه نمونه¬ها بر خواص فتوكاتاليستي كاملا مشهود بود. جهت بررسي ساختاري از دستگاه¬ها و روش¬هايي نظير SAXS، LAXRD، WAXRD، N2 Sorbtion، XPS، FTIR، FESEM و HRTEM استفاده شد. از جمله دستاوردهاي اين پروژه، ساختارهاي منظم با حفرات حدود 15-16 نانومتر در سيستم TiO2-SiO2 بود كه براي اولين بار اين اندازه گزارش شده است. هم چنين در اين پروژه، با ايجاد ساختار فومي، حين افزايش اندازه حفرات، سطح ويژه افت نكرد (حدودm2/g 600 براي نمونه سنتز شده در دماي C°100) كه در نتيجه باعث بهبود خواص فتوكاتاليستي با توجه به دسترسي بهتر به حفرات شد. از ديگر دستاوردهاي اين پروژه، حصول بازدهي فتوكاتاليستي بسيار بالا (بيش از 5/3 برابر فتوكاتاليست تجاري P25) بود.