می­ شود [۸۲]. همچنین نانومواد تیتانیا به­ دلیل تغییر خواص نوری و الکتریکی­، در اثر جذب می­توانند
به­عنوان سنسور برای رطوبت و گازهای مختلف، استفاده شوند [۸۴،۸۳]. استفاده گسترده از تیتانیا برای اهداف مختلف به­ دلیل تغییر در خواص اپتیکی و الکترونیکی، فعالیت فتوکاتالیستی بالا، پایداری شیمیایی و حرارتی، قیمت پایین و غیر سمی بودن آن می­باشد [۸۴].

( اینجا فقط تکه ای از متن پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

کلیه کاربردهای اشاره شده در بالا، در اثر یک مکانیزم ساده تولید جفت الکترون-حفره ایجاد می­شوند. بدین صورت که به­محض جذب فوتون­ها با انرژی بزرگ­تر از باند ممنوعه تیتانیا (انرژی> eV2/3، طول موج<nm 388)، الکترون­ها از باند ظرفیت به باند هدایت برانگیخته می­شوند و جفت­های الکترون- حفره ایجاد می­ کنند. این حامل­های بار به سطح مهاجرت کرده و با مواد شیمیایی جذب شده بر روی سطح واکنش داده و آن­ها را تجزیه می­ کنند. بر اساس این سه کاربرد مهم شکل می­گیرد؛ کاربردهای فتوکاتالیستی (شکل۲-۶ ) شامل تصفیه هوا، تصفیه آب، آنتی باکتریال و ضد بو کردن، کاربردهای آبدوستی شامل خود تمیز شوندگی و ضد مه گرفتگی و کاربرد فوتوولتائیک شامل سلول­های خورشیدی می­باشد [۴۰].
شکل ۲-۶ : مکانیزم فرآیندهای ناشی از نور تیتانیا و کاربردهای آن.
۲-۷-۱ فوتوکاتالیز کردن
به­ طور کلی واکنش­های فتوکاتالیستی به صورت زیر خلاصه می­شوند:

بسته به این­که علامت انرژی آزاد گیبس G واکنش بالا منفی یا مثبت باشد، واکنش می ­تواند به­ترتیب فتوکاتالیز کردن یا فتوسنتز کردن باشد. برای این­که یک نیمه­هادی فتوکاتالیست مفید باشد، فرآیندهای فصل مشترک مختلف شامل e^-و h⁺ باید با فرآِند ضد فعال سازی اصلی شامل بازترکیب e^--h⁺ که در سطح یا در بالک اتفاق می­افتد رقابت کنند [۷۲].
۲-۷-۱-۱ کاربردهای فتوکاتالیستی
۲-۷-۱-۱-۱ تجزیه نوری آّب
شکل ۲-۷ اصول تجزیه آّب با بهره گرفتن از فتوکاتالیست تیتانیا را نشان می­دهد. جفت الکترون-حفره­های تولید شده در اثر نور سبب ایجاد واکنش­های اکسیداسیون و احیاء در تیتانیا می­گردند.
مولکول­های آب توسط الکترون­ها به H₂ احیاء و توسط حفره­ها به O₂ اکسید می­شوند، که این امر منجر به تجزیه آب می­ شود. پهنای باند ممنوعه و پتانسیل باندهای هدایت و ظرفیت دارای اهمیت هستند. تراز پایینی باند هدایت باید منفی­تر از پتانسیل احیاء H⁺/H₂ (۰V NHE) باشد، در حالی­که تراز بالایی باند ظرفیت باید مثبت­تر از پتانسیل اکسیداسیونV32/1 O₂/H₂O باشد. فرایند تجزیه آب از pH محیطی و ساختارهای سطح الکترود تیتانیا تاثیر می­پذیرد [۸۵].
شکل ۲-۷: تولید فتوکاتالیستی (a)H₂ یا (b)O₂ در حضور واکنش­گرهای فداکار [۸۴].
۲-۷-۲-۱-۲ ضد عفونی
کاربرد فتوکاتالیستی دیگر تیتانیا به­عنوان ضدعفونی کننده یا استریل است. تیتانیا اثرات اکسیدکنندگی بسیار قوی بر روی ارگانیسم­های تک سلولی مانند باکتری­ ها و قارچ­ها دارد. توان اکسیدکنندگی بسیار قوی تیتانیا می ­تواند غشای سلول باکتری را تخریب کند. این امر سبب نشت سیتوپلاسم که از فعالیت سلول جلوگیری می­ کند و در نهایت سبب مرگ و تجزیه باکتری می­ شود. خاصیت ضدعفونی کنندگی تیتانیا سه برابر قوی­تر از کلر و ۵/۱ برابر قوی­تر از ازون است. از این خاصیت تیتانیا می­توان در بیمارستان­ها، ساخت تجهیزات پزشکی، آکواریوم­ها، حمام­ها، رستوران­ها، حوضچه­های پرورش ماهی، کارخانجات غذایی، تجهیزات عمومی و کاشی­های سرامیکی استفاده نمود [۸۵].
۲-۷-۲-۱-۳ تصفیه هوا
یک کاربرد مهم تیتانیا در تصفیه هوا می­باشد. مواد بد بو مانند تنباکو، آمونیا، سولفید هیدروژن، استالدهید، تولوئن، متیل مرکاپتان و غیره تهدید جدی برای سلامت هستند. غلظت آن­ها در هوای محیط سربسته همیشه کم است که برای تصفیه هوا بر پایه تیتانیا بسیار مناسب می­باشد. رادیکال­های هیدروکسیل به ­وجود آمده در اثر تهییج تیتانیا، باندهای مولکولی ترکیبات آلی فرار (VOC) را می­شکنند و این گازها را تبدیل به
تک مولکول­هایی می­ کنند که برای انسان خطرناک نیستند. یک تمیز کننده هوا از ماده فتوکاتالیست، معمولا از فیلترهایی برپایه­ی تیتانیا، لامپ ­UV، و یک فن برای گردش هوا تشکیل شده است [۸۵]. تمیز کننده­ های هوا در اندازه­ های مختلفی در دسترس هستند که می­توان از آن­ها در اتومبیل­ها، کارخانه یا در بیمارستان­ها استفاده کرد . بعد از استفاده طولانی مدت، فیلترها با اسید نیتریک یا اسید سولفوریک که در خلال حذف آمونیا و سولفید هیدروژن شکل می­گیرند آلوده می­شوند. اما، با یک شستشوی ساده با آب آلودگی فیلترها برطرف
می­شوند.
۲-۷-۲-۱-۴ تصفیه آّب
در روش تصفیه فتوکاتالیستی آب­های آلوده، تیتانیا به­ صورت پودر به آب اضافه می­ شود و یا بر روی
زیرلایه­های مناسبی از جمله شیشه و یا ترکیبات سیلیسی، پوشش داده می­شوند و در حوضچه­ها تحت تابش نور فرابنفش قرار می­گیرند و آب از روی آن عبور داده می­ شود. در حالت اول به یک سیستم بازیابی نیاز خواهد بود تا کاتالیست دوباره قابل استفاده شود. تحقیقات نشان می­دهد که فتوکاتالیست تیتانیا می ­تواند سبب حذف موادی چون رنگ، موادآلی، آلاینده­های خاص از فاضلاب­ها، آلاینده­های نفتی، پساب­های صنعتی و … گردد. بسیاری از آلاینده­های موجود در آب­های صنعتی که تیتانیا آن­ها را به آب و دی­اکسید کربن تبدیل می­ کند عبارتند از: آلکان­ها، آلکن­ها، آلکین­ها، اترها، آلدهیدها، الکل­ها، ترکیبات آمینی، ترکیبات سیانیدی، استرها و ترکیبات آمیدی.
۲-۸ فرایند سل- ژل
چهار روش اصلی برای ساخت نانو ذرات وجود دارد که عبارتند از: مکانیکی، تولید درجا^[۳۸] و سنتز از فاز گازی و روش شیمی­تر^[۳۹]. هر یک از این روش­ها ارزش و ویژگی خاص خود را دارند. زیرا متناسب با روشی که برای ساخت مواد انتخاب می­ شود، ویژگی محصول نهایی متفاوت خواهد بود. با پیشرفت فناوری نیاز به مواد اولیه خالص با ویژگی­های دقیق و مشخص که به راحتی قابل کنترل باشد احساس شده است و یافتن راه ­هایی جهت دست­یابی به این فرایند آغاز گردید که مهم­ترین آن­ها روش شیمیایی تهیه پودرها است. یکی از مهم­ترین و پرکاربردترین روش­هایی که اخیرا برای تهیه تیتانیا به فراوانی استفاده می­گردد روش سل-ژل می­باشد.
سل-ژل فرایندی برای تهیه مواد از طریق تشکیل سل، تبدیل سل به ژل و در پایان خروج حلال می‏باشد. محلول می‏تواند از هر یک از ترکیبات آلی، غیر آلی و نمک‏ها‏ تهیه شود. سل-ژل یک روش شیمی ‏و یا نزدیک به شیمی ‏می‏باشد. که با ‏ایجاد شبکه اکسیدی توسط واکنش‏ها‏ی پلی کندانسیون در یک محیط مایع می‏توان اکسید‏ها‏ی فلزی را به­ صورت فاز شبه پایدار یا آمورف ساخت [۸۶].
سل­ها به دو نوع حلال گریز^[۴۰] و حلال دوست^[۴۱] تقسیم می­شوند. سل­های حلال گریز، از حل شونده­هایی تشکیل شده است که مولکول­هایش به اندازه کافی بزرگ بوده و به­عنوان کلوییدها دسته­بندی می­شوند. سل­های حلال دوست شامل ذرات غیر قابل حل هستند اما ذرات به اندازه­ای کوچک هستند که حرکت براونی آن­ها مانع از نشست آن­ها می­ شود. این سل معمولا توسط بارهای الکتریکی یا جذب مولکول­های پلیمری در سطح ذرات پایدار می‌شوند [۸۷]. مهم­ترین فاکتورها برای تعیین خواص نهایی محصول روش سل-ژل، سرعت واکنش‏ها‏ی آبکافت و چگالش می‏باشد [۸۸]. جدول ۲-۴ تاثیر سرعت واکنش­های کنداسیون و هیدرولیز بر سل حاصل را نشان می­دهد.
جدول ۲-۴: تاثیر سرعت واکنش­های کندانسیون و هیدرولیز بر سل حاصله [۸۸].