توسعه تركيبات ناهمگون بر پايه تيتانيوم دياكسيد/ نانو ساختار دوبعدي كربن نيتريد گرافيتي و ارزيابي رفتار فوتوكاتاليستي آن

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مواد

كارشناسي ارشد

تخريب رنگ‌هاي آلي در فاضلاب به دليل سميت و مقاومت در برابر عوامل بيولوژيكي و روش‌هاي سنتي تصفيه، يك چالش زيست محيطي مهم است. فوتوكاتاليز به عنوان يك راه حل اميدواركننده ظاهر شده است و از انرژي خورشيدي براي كاهش آلاينده‌ها به مواد بي‌ضرر استفاده مي‌كند. در اين پژوهش، كارآيي يك ساختار ناهمگون TiO2/g-C3N4 (كه g-C3N4 در حالت‌هاي بالك و لايه‌برداري شده قبل و پس از آلايش با بور حضور دارد) به عنوان يك فوتوكاتاليست براي تخريب رنگ بررسي شد. نانوهيبريد از طريق روش سل ژل با رشد درجاي نانوذرات تيتانيوم‌ دي‌اكسيد روي ساختار كربن نيتريد گرافيتي فرآوري شد و به دنبال آن مشخصه‌يابي با استفاده از پراش پرتو ايكس (XRD)، ميكروسكوپ الكتروني روبشي (FE-SEM)، طيف‌سنجي فروسرخ تبديل فوريه (FTIR) و طيف‌سنجي بازتابي نفوذي(DRS) انجام شد. عملكرد فوتوكاتاليستي تحت تابش نور مرئي با استفاده از RhB به عنوان رنگ مدل ارزيابي شد. نتايج نشان داد كه هيبريد TGCNB كه با g-C3N4 درحالت لايه‌برداري شده و آلايش يافته با بورفرآوري شد، فعاليت فوتوكاتاليستي برتري نسبت به TiO2 خالص و g-C3N4 بور آلايش يافته (GCNB) نشان مي‌دهد. عملكرد افزايش يافته به اثرات هم‌افزايي لايه‌برداري و آلايش با بور و تشكيل ناهمگوني بين TiO2 وGCNB نسبت داده مي‌شود. آلايش با بور به طور موثر شكاف باند g-C3N4 را كاهش داد و در اثرلايه‌برداري شكاف باند افزايش پيدا كرد و سطح ويژه و تعداد سايت‌هاي فعال نيز متعاقبا زياد شد. اثر هم افزايي اين دو باعث افزايش شكاف باند از eV65/2 بهeV3 شد و جذب بهتر نور مرئي را تسهيل كرد. علاوه بر اين، ساختار ناهمگوني جداسازي و انتقال بار كارآمد را ارتقا داد و نرخ بازتركيبي جفت‌هاي الكترون-حفره را كاهش داد. در ادامه اثر درصد اجزاي مختلف ساختارناهمگون بهينه بر نرخ فعاليت فوتوكاتاليستي بررسي شد و ساختار ناهمگون با نسبت اجزاي 50-50 به عنوان ساختار بهينه معرفي شد. راندمان تخريب RhB با غلظت ppm 10 در عرض 160 دقيقه پس از تابش به 86٪ رسيد كه به طور قابل توجهي بيشتر از اجزاي جداگانه (برايGCNB%0 و براي TiO2 5/%35) است. به منظور اثبات جداسازي موثر جفت الكترون حفره در ساختار ناهمگوني و كاهش باز تركيب الكترون-حفره، آزمون‌هاي فوتولومينسانس(PL)، امپدانس الكتروشيميايي (EIS)و چگالي جريان(PC) در پيش گرفته شد. بررسي‌ها نشان داد كه گونه‌هاي فعال اوليه درگير در فرآيند تخريب، راديكال‌هاي هيدروكسيل (•OH) و راديكال‌هاي سوپراكسيد (O2•-) هستند. با توجه به تغييرات طيف جذبي UV-VIS و تغيير رنگ RhB طي فرآيند تخريب، مكانيسم تخريب رنگ پيشنهاد شد. پارامترهاي موثر بر فرآيند تخريب رنگ فوتوكاتاليستي از جمله ميزان فوتوكاتاليست، غلظت رنگ و pH بهينه نيز محاسبه شدند. پايداري و قابليت استفاده مجدد از فوتوكاتاليست TGCNB مورد ارزيابي قرار گرفت، كه حداقل از دست دادن فعاليت را پس از سه چرخه متوالي نشان داد. در نهايت با استفاده از نتايج، مكانيسم پيشنهادي تخريب و گونه‌هاي اكسيژن فعال موثر، مكانيسم انتقال الكترون در ساختار ناهمگوني، نوع Z معرفي شد. در نتيجه، ساختار ناهمگون TGCNB يك فوتوكاتاليست كارآمد و پايدار براي تخريب رنگ‌هاي آلي تحت نور مرئي ارائه مي‌كند. اين مطالعه پتانسيل آلايش با عنصر غير فلزي و مهندسي ساختار ناهمگون را در افزايش عملكرد فوتوكاتاليستي مواد نيمه‌هادي برجسته مي‌كند.

232272

شناسايي و انتخاب مواد

مهندسي مواد

دانشگاه صنعتي اصفهان