تحقیق کاتالیزورهای نوری

توضیحات

عنوان: تحقیق کاتالیزورهای نوری

• کاتالیزورهای نوری
• مقدمه، تاریخچه
• معرفی کاتالیزورهای نوری
• سازوکار و عملکرد کاتالیزور‌های نوری
• انواع کاتالیزور نوری
• اکسیدهای فلزی
• اختلاط (Doping):
• صلاح شیمیایی سطح (Surface Chemical Modification)
• سولفیدهای فلزی
• نانو کاتالیزور نوری
• خواص کاتالیزوهای نوری
• مزایای استفاده از کاتالیزور‌های نوری در واکنش‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌ها
• روش‌های تهیه‌ی کاتالیزور نوری
• روش رسوب گیری
• روش سولوترمال (Solvothermal) و هیدروترمال( (Hydrothermal
• روش سل ژل (Sol-gel)
• سایر روش‌ها
• باز‌یابی (Recovery) کاتالیزور نوری
• کاربرد کاتالیزورهای نوری
• نتیجه‌ گیری
• کاربردکاتالیزورهای نوری
• کاتالیز کردن نوری
• تجزیه‌ یا شکافت آب (Water Splitting)
• تخریب آلودگی‌ها
• تصفیه‌ی خاک
• تصفیه‌ هوا
• تصفیه‌ی آب و پساب‌ ‌ها
• استفاده در تهیه‌ ترکیب‌های آلی
• تخریب میکروارگانیسم‌ها
• کاربرد دیگرکاتالیزورهای نوری
• فوق آب دوست شدن القا شده‌ی نوری
• خاصیت خود تمیز شوندگی
• خاصیت ضد مه گرفتگی
• کاهش دمای ساختمان
• کاربردهای نوین
• لباس‌های محافظ
• رنگ‌های کاتالیزور نوری

کاتالیزورهای نوری

کاتالیزور نوری (Photocatalyst) به گروهی از کاتالیزور‌‌‌ها گفته می‌شود که وقتی در معرض تابش نور قرار می‌گیرند، فعال می‌شوند. در واقع کاتالیزور‌های نوری در اثر تابش نور از طریق کاهش انرژی فعال سازی (Activation Energy) واکنش، منجر به بروز یا سرعت بخشیدن به واکنش‌های شیمیایی می‌شوند؛ در حالی که خود بدون تغییر باقی می‌مانند. عملکرد کاتالیزور‌های نوری بدین طریق است که پس از جذب نور (معمولا اشعه‌ی فرابنفش)، الکترون‌های آن‌ها برانگیخته شده و از مدار خود جدا می‌شوند و در نتیجه حفره‌ای برجا می‌ماند که خاصیت اکسید کنندگی بسیار بالایی دارد، در عین حال الکترون نیز خاصیت احیا کنندگی قوی دارد. جفت-های الکترون حفره‌ی ایجاد شده با مولکول‌های موجود در سطح ذرات واکنش می دهند و نتایج مورد نظر حاصل می‌شود. در این مقاله ابتدا به معرفی کاتالیزورهای نوری می پردازیم و در ادامه انواع، عملکرد، روش های تهیه و کاربرد این نوع کاتالیزورها بررسی می شود.

مقدمه، تاریخچه

اولین کاتالیزور نوری معرفی شده، تیتانیوم دی اکسید (Titanium dioxide, TiO₂) است. تاکنون به طور دقیق مشخص نشده که اولین بار در چه زمانی و توسط چه کسی از تیتانیوم دی اکسید برای القای واکنش‌های شیمیایی استفاده شده است. در سال 1938 از تیتانیوم دی اکسید به عنوان کاتالیزوری که در حضور نور فعال می‌شد، در صنعت رنگ سازی استفاده شد؛ اما در گزارش‌های ارایه شده واژه‌ی کاتالیزور نوری به کار نرفت و تیتانیوم دی اکسید به عنوان حساس کننده ی نوری (Photosensitizer) معرفی شد. در سال 1956 ماشیو در گزارشی در مورد خود اکسایش انجام شده توسط تیتانیوم دی اکسید، از آن به عنوان کاتالیزور نوری یاد کرد. فوجی شیما و هوندا در سال 1972 به کمک آند تیتانیوم دی اکسید و تحت تأثیر نور فرابنفش، فرآیند آب کافت را (تجزیه آب به اکسیژن و هیدروژن) را انجام دادند . به این ترتیب کاربرد گسترده ی کاتالیزور‌های نوری در واکنش‌های اکسایش و کاهش آغاز شد.

معرفی کاتالیزورهای نوری

کاتالیزور‌های نوری به منظور حذف آلاینده‌هایی که به وسیله ی فرایند‌های زیستی حذف نمی‌شوند، سال‌هاست که در کشورهای صنعتی به کار می‌روند. کاتالیزور‌های نوری به طور عمده اکسید‌های جامد نیمه رسانا هستند که تحت تابش نور، با انرژی کافی فعال می‌شوند . کلروفیل در گیاهان مشابه کاتالیزور‌های نوری عمل می‌کند. در مقایسه با فتوسنتز که در آن کلروفیل نور خورشید را جذب کرده و توسط آب و کربن دی اکسید، اکسیژن و گلوکز تولید می‌کند، در فرایند کاتالیزوری نوری مواد آلی در حضور نور، آب و کاتالیزور به کربن دی اکسید و آب تبدیل می شود .

شکل 1 : مقایسه ی عملکرد یک کاتالیزور نوری و کلروفیل

کاتالیزور‌های نوری می‌توانند به صورت مواد معلق محلول یا لایه‌های تثبیت شده روی بستر (Substrate) به کار ‌روند .

سازوکار و عملکرد کاتالیزور‌های نوری

بر خلاف فلزات که سطوح الکترونی پیوسته‌ای دارند، در نیمه رساناها بین نوار ظرفیت (Valence Band, VB) و نوار رسانایی (Conduction Band, CB)، شکاف انرژی (Band-gap energy, Ebg) وجود دارد (شکل 2). چون شکاف انرژی موجود در نیمه رساناها بر خلاف مواد نارسانا کوچک است (حدود 4 الکترون ولت) ، طی تابش نور به کاتالیزور‌های نوری نیمه رسانا فوتون‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌‌هایی که انرژی مساوی یا بیشتر از انرژی شکاف دارند، جذب شده و سبب برانگیخته شدن الکترون از نوار ظرفیت به نوار رسانایی می‌شوند و در نتیجه به طور همزمان یک محل خالی از الکترون (⁺ h) در نوار ظرفیت به نام حفره ایجاد می شود :

شکل 2: شکاف انرژی در مواد رسانا، نیمه رسانا و نارسانا

الکترون‌‌های نوری آزاد نوار رسانایی (^– eCB  ) و حفره‌های نوری نوار ظرفیت (⁺ hVB ) به چند صورت و از طریق چند مسیر عمل می کنند که در شکل 3 به وضوح نشان داده شده است.

شکل 3 : مسیرهای مختلف عملکرد یک کاتالیزور نوری در اثر جذب نور

تعدادی از الکترون‌‌ها و حفره‌های نوری می‌توانند به سطح کاتالیزور نوری برسند و سبب کاهش یا اکسایش گونه‌های آلی و غیر آلی جذب شده روی سطح کاتالیزور شوند. الکترون توسط یک پذیرنده جذب و سبب کاهش آن می‌شود (مسیر 1). تحت اتمسفر محیط، اکسیژن به عنوان گیرنده عمل کرده و رادیکال فوق العاده اکسنده‌ی هیدروکسیل تولید می‌شود. به همین ترتیب حفره نیز ضمن مهاجرت به سطح کاتالیزور نوری از گونه ی دهنده الکترون (Electron Donor) جذب کرده و آن را اکسید می‌کند (مسیر 2). اگر محیط اطراف یعنی آب یا حلال دارای گروه هیدروکسی باشد، حفره آب یا گروه هیدروکسی موجود در سطح کاتالیزور را به رادیکال هیدروکسیل تبدیل می‌کند. بازترکیبی حفره و الکترون با مسیر انتقال بار رقابت می‌کند. بازترکیبی حفره و الکترون در سطح نیمه رسانا (مسیر 3) یا در عمق آن (مسیر 4) همراه با آزاد شدن گرما رخ می‌دهد. همچنین الکترون‌های تولید شده می‌توانند به طور مستقیم برای تولید برق در سلول‌های خورشیدی به کار روند.

انواع کاتالیزور نوری

اکسیدهای فلزی

از میان ترکیباتی که به عنوان کاتالیزور نوری عمل می کنند، تیتانیوم دی اکسید تنها ماده ی صنعتی مناسب حال حاضر و حتی آینده است؛ چرا که اکثر فعالیت های نوری مؤثر را دارد، پایدارترین و کم هزینه‌ترین کاتالیزور نوری است و به علاوه از زمان باستان تاکنون به عنوان رنگدانه ی سفید استفاده ‌شده و بنابراین تاریخ نیز امنیت آن را برای انسان و محیط تضمین کرده است. تیتانیوم دی اکسید به سه شکل بلوری آناتاز (Anatase)، روتیل (Rutile) و بروکیت (Brucite) یافت می شود که در میان آن ها تنها آناتاز و روتیل فعالیت کاتالیزوری نوری دارند (شکل 4). آناتاز نسبت به روتیل فعالیت نوری بیشتری نشان می‌دهد و بنابراین کاربرد بیشتری نیز دارد.

شکل 4 : ساختارهای بلوری تیتانیوم دی اکسید شامل روتیل، آناتاز و بروکیت (به ترتیب از چپ به راست)

تیتانیوم دی اکسید به صورت پودری، بلوری و لایه نازک تهیه می‌شود این ماده در محدود‌ه ی نور فرابنفش فعال است و این بخش از نور تنها 4 % از نور خورشیدی را که به زمین می‌رسد تشکیل می‌دهد؛ بنابراین لازم است این کاتالیزور نوری کارآمد به نحوی اصلاح شود تا در محدوده ی نور مرئی نیز فعال باشد .

توجه:

• برای دانلود فایل کامل ورد لطفا اقدام به خرید نمایید.
• پس از خرید بلافاصله لینک دانلود فایل برای شما ایمیل خواهد شد.