فوتوکاتالیز اصول و برخی کاربردها

Transcript

1 او) فوتوکاتالیز اصول و برخی کاربردها نویسنده: ابراهیم زارعی کیاسری: استادیار گروه علوم پایه چکیده پردیس دکتر شریعتی دانشگاه فرهنگیان در این کار دربارهی اصول فرایند فوتوکاتالیز مطالبی ارائه گردیده است. در این راستا به نظریهی نوار که بیان کننده علت اصلی اختالف میان مواد رسانا نیمه رسانا و نارساناست اشاره شده است. در ادامه پدیدههایی که در اثر تحریک نوری یک نیمه رسانا رخ میدهند مورد بحث قرار گرفتهاند. همچنین ساختار برخی دگرشکلهای TiO 2 به عنوان یک نیمه رسانای مناسب برای انجام فوتوکاتالیز مورد بررسی قرار داده شده است. در پایان به طور مختصر برخی کاربردهای فرایند فوتوکاتالیز حذف آالیندهها از پسابها بیان شده است. کلید واژهها: حذف آالیندهها مقدمه فوتوکاتالیز نظریهی نوار نیمه رسانا ویژه در به TiO 2 همانطور که در کتب شیمی دورهی متوسطه بیان گردیده است کاتالیز فرایندی که در آن یک ماده یعنی کاتالیزور سرعت انجام یک واکنش شیمیایی را تسریع مینماید. فوتوکاتالیز در واقع حالت خاصی از فراین کاتالیز است که به کمک نور انجام میشود. در سال 2 تجزیه فوتوکاتالیزی آب را 1 و هوندا 1972 فوجیشیما روی سطح الکترودهای TiO 2 کشف کردند )فوجیشیما 1972(. این پدیده شروع عصر جدیدی را در فوتوکاتالیز ناهمگن رقم زد. از آن پس تالشهای تحقیقاتی گستردهای توسط شیمیدانها فیزیکدانها و مهندسین شیمی برای فهم فرایندهای بنیادی و افزایش بازدهی فوتوکاتالیزی در سطح TiO 2 انجام گرفت. چنین مطالعاتی اغلب با تجدید انرژی و ذخیره آن در ارتباط بودند )گراتزل 1983(. بسیاری از گزارشات تحقیقاتی نشان دادهاند که 3 نظیر ذرات نیمه هادی دارای شکاف نوار انرژی بزرگ ZnO و TiO 2 WO 3 به عنوان یک فوتوکاتالیزور عالی میتوانند بسیاری از آالیندههای آلی موجود در پساب کارخانهها نظیر شویندهها رنگدانهها و غیره را تحت تابش نور فرابنفش تخریب نمایند. از میان فوتوکاتالیزورهای نیمه هادی مختلف TiO 2 به دلیل در دسترس بودن آسان طبیعت غیر سمی عدم خوردگی فوتوشیمیایی و فعالیت کاتالیزوری مؤثر مورد توجه قرار گرفته است. در سالهای اخیر تصفیه محیط زیست از آالیندهها یکی از مهمترین فعالیتها در حوزه فوتوکاتالیز ناهمگن میباشد. این کار از کاربرد ذاتی فوتوکاتالیز بر اساس TiO 2 الهام گرفته شده است لیس 1993(. در این مقاله با زبانی ساده و روان برای درک بهتر فرایند فوتوکاتالیز مطالبی راجع به نظریه نوار در نیمههادیها ساختمان TiO 2 و مثالهایی از فوتوکاتالیز برخی مواد در سطح این نیمههادی ذکر گردیده است. بحث 1- نظریه نوار بر اساس نظریه اربیتال مولکولی در یک مولکول از ترکیب معادالت موجی اربیتالهای اتمی هم انرژی اتمهای تشکیل دهنده آن مولکول اربیتالهای مولکولی جدید شکل میگیرند و الکترونهای مولکول در این اربیتالهای جدید آرایش مییابند. نظریه نوارکه اولین بار توسط باخ 4 مطرح گردید از این هم پا را فراتر میگذارد و بیان میکند که اربیتالهای مولکولی هم انرژی در یک مولکول تشکیل نوارهای انرژی را میدهند )مانی 1965(. بر این اساس باالترین نوارانرژی که دارای الکترون میباشد نوار ظرفیت 5 و پایینترین نوار انرژی که خالی از الکترون است نوار هدایت 6 نامیده میشود. به فاصله انرژی بین نوار ظرفیت 3 Large band gap 4 Bach 5 Valence band (VB) 6 Conduction band (CB) 1 Fujishima 2 Honda 15

2 و نوار هدایت در یک ماده شکاف نوار انرژی اطالق میگردد )شکل 1(. همانطور که در این شکل دیده میشود در فلزات این دو نوار با هم همپوشانی دارند بنابراین فلزات حتی در شرایط عادی نیز دارای هدایت الکتریکی میباشند. اما فاصله زیاد انرژی بین دو نوار ظرفیت و هدایت در مواد عایق باعث نارسانا شدن این مواد از نقطه نظر الکتریکی میگردد. در مورد مواد نیمههادی شکاف نوار انرژی به اندازهای است که این مواد در شرایط معمولی هادی نمیباشند در صورتی که این مواد با اعمال مقداری انرژی به روشهای مختلف مانند تابش نور دادن حرارت و ایجاد شوکهای الکتریکی رسانای جریان الکتریسیته میشوند )مانی.)1965 میشود. فرایند اولیه برای فوتوکاتالیز ترکیبات آلی و معدنی به وسیله نیمههادیها تولید زوجهای الکترون-حفره در ذرات نیمههادی میباشد. قسمت بزرگنمایی شده شکل 2 تحریک یک الکترون از نوار ظرفیت به نوار هدایت به کمک جذب نور با انرژی برابر یا بزرگتر از شکاف نوار نیمههادی را نشان میدهد. بعد از تحریک سرنوشت حفره و الکترون جدا شده در چندین مسیر رقم میخورد. شکل 2 بعضی از مسیرهای آسایش برای الکترونها و حفرهها را نشان میدهد )نوساکا 1893(. شکل 1- طرح نموداری ایجاد نوارها در جامدات از اربیتالهای اتمی اتمهای منفرد. 2- تحریک نوری شکاف نوار انرژی نیمههادی بر خالف فلزات که نوارهای الکترونی پیوسته دارند نیمههادیها دارای یک ناحیه انرژی خالی از الکترون )شکاف نوار( میباشند که در آنجا هیچ تراز انرژی برای ترکیب مجدد یک الکترون و حفره تولید شده در اثر تحریک نوری در دسترس نمیباشد. هنگامی که تحریک در شکاف نوار رخ میدهد این تحریک دارای طول عمر کافی )در حد نانو ثانیه( میباشد به طوری که فرصت انتقال بار به گونههای جذب شده )گونههای موجود در فاز محلول یا گازی( در سطح نیمههادی وجود دارد. اگر نیمههادی دست نخورده باقی بماند و انتقال بار به گونههای جذب شده پیوسته و گرماده باشد فرایند فوتوکاتالیز ناهمگن نامیده شکل 2- طرح نموداری فوتواکسایش در یک جامد به همراه پدیدههای ترکیب مجدد. انتقال الکترون و حفرهها به گونههای آلی و معدنی یا مولکولهای حالل جذب شده از انتقال الکترونها و حفرهها به سطح نیمههادی نتیجه میشود. اگر گونهها روی سطح نیمههادی پیش جذب شوند فرایند انتقال الکترون مؤثرتر است )ماتیوز 1988(. الکترونهای رسیده به سطح باعث کاهش یک پذیرنده الکترون )معموال اکسیژن در یک محلول هوادهی شده( میشوند )مسیر C( در صورتی که حفرههای مهاجرت نموده به سطح باعث اکسایش یک دهنده الکترون میشوند )مسیر D(. امکان انجام و سرعت فرایندهای انتقال بار برای الکترونها و حفرهها به موقعیت نسبی لبههای نوار برای نوارهای هدایت وظرفیت و ترازهای پتانسیل ردوکس گونههای جذب شده بستگی دارد. نکته مهم آنکه قدرت کاهندگی و اکسندگی نیمههادی با انجام فرایند تحریک افزایش مییابد. 16

3 ترکیب مجدد الکترون و حفره با انتقال بار به گونههای جذب شده رقابت مینماید. این فرایند میتواند در توده )مسیر B( یا در سطح )مسیر A( نیمههادی با آزاد نمودن گرما انجام گیرد. بازدهی فرایند فوتوکاتالیز )بازدهی کوانتومی( به صورت تعداد پدیدههای فوتوکاتالیز رخ داده بر تعداد فوتونهای جذب شده تعریف میشود )ماتیوز 1988(. واضح است که ترکیب مجدد الکترون و حفره باعث کاهش بازدهی فرایند فوتوکاتالیز میشود. برای حذف ترکیب مجدد به عنوان مثال از تلههای حاملین بار استفاده میشود که منجر به فرایند انتقال بار مؤثرتر میشوند. بنابراین اصالحاتی در نیمه هادی نظیر افزایش فلزات و ترکیب با نیمه هادیهای دیگر به عنوان تلههای حاملین بار در کاهش ترکیب مجدد و افزایش بازدهی فوتوکاتالیز مفید است. 3- موقعیتهای لبه نوار توانایی یک نیمههادی برای انتقال بار )الکترون و حفره( به گونههای پذیرنده و دهنده الکترون به موقعیت لبه نوار نوارهای هدایت و ظرفیت یک نیمه هادی و پتانسیل ردوکس گونههای پذیرنده و دهنده الکترون بستگی دارد. تراز پتانسیل گونههای پذیرنده برای انجام فرایند انتقال الکترون باید به طور ترمودینامیکی پایینتر )مثبتتر( از پتانسیل نوار هدایت نیمههادی باشد. همچنین تراز پتانسیل دهنده برای انجام فرایند انتقال حفره باید باالتر )منفیتر( از موقعیت نوار ظرفیت نیمههادی باشد موقعیتهای لبههای نوار هدایت و ظرفیت چندین نیمههادی در شکل 3 ارائه شده است )لینسبیگلر 1995(. مقیاس انرژی در 1 سمت چپ برای مقایسه با تراز خأل و با الکترود هیدروژن نرمال قرار دارد. موقعیتها در یک محلول دارای = 1 ph مورد مقایسه قرار گرفتهاند. ph محلول الکترولیت روی موقعیت لبه نوار نیمههادی ها تأثیر دارد. شکل 3- سطوح انرژی نوار ظرفیت و نوار هدایت چند نیمههادی در محلول آبی با = 1.pH 4- فوتوکاتالیز در سطح TiO 2 از بین نیمههادیهای گوناگون TiO 2 به عنوان یک فوتوکاتالیزور به طور وسیعی در فوتواکسایش ترکیبات معدنی و آلی به ویژه آالیندههای موجود در هوا و پسابها مورد استفاده قرار میگیرد )اولیس 1993(. علت این چنین عالقمندی برای استفاده از TiO 2 به برخی مزیتهای آن مانند قیمت پایین سمیت کم پایداری شیمیایی باال و مقاومت در برابر خوردگی توسط نور مربوط است که از شکاف نوار زیاد آن ناشی میشود )لینسبیگلر 1995(. دو ساختار بلوری متفاوت TiO 2 روتیل و آناتاز به طور مرسوم در فوتوکاتالیز و فوتوالکتروکاتالیز مورد استفاده قرار میگیرند. شکل 4 -الف ساختار سلولهای واحد بلورهای روتیل و آناتاز و اختالفهای ساختاری آنها را نشان میدهد. مشخص شده است که آناتاز فعالیت فوتوکاتالیزی باالتری دارد. این اختالف به تفاوت در ساختارهای بلوری این دو فاز مربوط است. ساختارهای روتیل و آناتاز بر حسب زنجیرهای هشتوجهی TiO 6 )هر یون Ti 4+ توسط شش یون O 2- به صورت هشتوجهی احاطه شده است( توصیف میشود. دو ساختار بلوری توسط میزان انحراف هر اکتاهدرال و همچنین در اثر تفاوت در الگوی تجمعی زنجیرهای هشتوجهی تفاوت دارند. نکته قابل توجه دیگر از دقت در تغییرات انرژی آزاد گیبس استاندارد دو فاز آناتاز و روتیل به دست میآید و 1 Normal hydrogen electrode (NHE) 17

4 ب فوتوکاتالیز مولکولهای معدنی کوچک روی سطح TiO فوتوکاتالیز آب آب میتواند در سطح TiO 2 اکسیده یا کاهیده شود و به ترتیب گازهای اکسیژن و هیدروژن تولید نماید. با توجه به این که در فرایندهای فوتوسنتز توسط کلروفیل و فوتوکاتالیز توسط فوتوکاتالیزور جذب نور صورت میگیرد میتوان شباهتی بین این دو فرایند در نظر گرفت )شکل 5(. اگرچه TiO 2 میتواند به طور مؤثر تحت تابش با انرژی معادل یا بزرگتر از شکاف نوار برانگیخته شود H 2 O روی سطوح تمیز TiO 2 نمیتواند فوتولیز گردد. شکل 6 فلا- موقعیتهای لبه نوار TiO 2 را نسبت به پتانسیلهای الکتروشیمیایی زوج ردوکس H 2 H/ 2 O و زوج ردوکس O 2 H/ 2 O نشان میدهد. مطابق نمودار انرژی الکترون فوتولیز آب از نظر انرژی مساعد است. با این وجود به دلیل وجود آن نکته این است که روتیل فاز پایدارتری از نظر ترمودینامیکی از آناتاز است بنابراین افزایش دما باعث تبدیل فاز آناتاز به روتیل میشود. به طریق آزمایشی ثابت شده که تبدیل فاز آناتاز به روتیل در 873 K شروع و در 1073 K به پایان میرسد )لینسبیگلر 1995(. همچنین شکل 4 -ب ساختار هندسی سطح یک تک بلور )در اینجا روتیل( را نشان میدهد. وجود سه نوع مکان خالی برای اتمهای اکسیژن در سطح مشاهده میشود. این نواقص مراکز بسیار مناسبی برای جذب مولکولهایی نظیر O 2 و دیگر ترکیبات شیمیایی و انجام واکنشهای شیمیایی میباشند )لینسبیگلر.)1995 اضافه ولتاژ باال برای آزاد شدن و H 2 O 2 روی سطح TiO 2 TiO 2 به تنهایی غیر فعال میشود )ساتو 1980(. پودر TiO 2 با ذرات فلزی رسوب داده شده بر سطح آن )مانند پالتین به عنوان اصالحگر و تله الکترون( برای آزاد شدن همراه با ذرات H 2 اکسید فلزی رسوب داده شده بر سطح آن )مانند RuO 2 به عنوان اصالحگر و تله حفره( برای آزاد شدن O 2 مطابق شکل 6 برای فوتولیز آب بکار میروند )ساتو 1980(. این سیستم نشاندهنده یک مدار بسته به صورت سل الکتروشیمیایی میکرو که در آن Pt یک کاتد و RuO 2 به عنوان یک آند است را نشان میدهد. حضور Pt و RuO 2 اضافه ولتاژ را به ترتیب برای تولید و H 2 O 2 کاهش میدهد. شکل 4- الف- ساختار سلولهای واحد TiO 2 روتیل و آناتاز. ب- انواع مکانهای نقص در سطح.TiO 2 شکل 5- شباهت میان فرایندهای فوتوسنتز و فوتوکاتالیز. 18

5 شکل 7- اثر فلز به عنوان پذیرنده الکترون روی فوتوکاهش.CO فوتواکسایش ترکیبات آلی روی سطح TiO 2 در سالهای اخیر یکی از فعال ترین حوزههای تحقیق در فوتوکاتالیز به حذف آالیندههای آلی محیط زیست از پسابهای خانگی و به ویژه صنعتی مانند رنگدانههای آلی مانند رودامین B )بارکا 2008( و لیگنین )یوسفی 2014( و برخی ترکیبات سمی غیررنگدانهای نظیر فنول )الیوریا 2010( 4 -کلرو فنول )لوکاک 2007( و 2 -پروپانول )اوهنو 2006( مربوط میشود. TiO 2 در چنین مطالعاتی به عنوان فوتوکاتالیزور سیستم سوسپانسیون آبی مورد استفاده قرار میگیرد. تالشهای تحقیقاتی در بررسی فوتواکسایش این گونه ترکیبات دو هدف کلی: )1( شناسایی حد واسطهای واکنش مکانیسم و سینتیک واکنش و )2( بهینه نمودن شرایط واکنش به منظور افزایش سرعت و بازدهی فوتواکسایش را تعقیب میکنند )کندال 2000(. فوتوکاتالیز اکسایش ترکیبات آلی در فاز گازی و در فاز آبی در حد فاصل دو فاز جامد-گاز و مایع- گاز انجام میشود. در فوتوکاتالیز ذرات TiO 2 بیشتر به صورت بلورهای آناتاز مورد استفاده قرار میگیرند. در اثر تابش UV nm( λ( < 380 همانطور که قبال ذکر شد یک الکترون از نوار ظرفیت به نوار هدایت ( - )ecb منتقل میشود که انجام این عمل مطابق معادله) 1 ( باعث ایجاد یک حفره با خأل دارای بار مثبت در نوار ظرفیت ( + VB h( میشود. ترکیبات آلی میتوانند بطور مستقیم توسط حفره یا اینکه بوسیله رادیکال هیدروکسیل تشکیل شده در شکل 6 فلا- نمودار انرژی پتانسیل برای زوجهای ردوکس H 2 /H 2 O و O 2 /H 2 O نسبت به موقعیتهای لبه نوار نیمه هادی.TiO 2 ب- فوتولیز آب روی کاتالیزور چند سازهای. همچنین فوتوکاهش CO 2 یک فرایند مهم است چرا که یک فرایند بیولوژیکی به حساب میآید که به طور طبیعی رخ میدهد. از کاهش CO 2 فرمیک اسید فرمالدئید متانول و مقدار بسیار کمی متان تولید میشود )اینو 1979(. ایشیتانی 1 و همکاران با بررسی اثر فلزات مختلف بر گزینشپذیری محصوالت فوتوکاهش CO 2 نشان دادند که با تغییر نوع فلز رسوب داده شده بر سطح TiO 2 محصول اصلی کاهش CO 2 تغییر خواهد نمود. به عنوان مثال اگر از سیستم Pd TiO 2 استفاده گردد محصوالت اصلی متان و استیک اسید بدست خواهند آمد )شکل )7 )ایشیتانی.) Ishitani 19

6 Fujishima, A., & Honda, K. (1972). Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode. Nature, 238 (5358), Gratzel, M. (1983). Ed. Energy Resources Through Photochemistry TiO 2 hνand e CB Catalysis.: hvb New York, Academic Press. )1( اثر واکنش حفره و آب جذب شده مطابق معادله )2( اکسید گردند )هوتل 2009(: Huitle, C. A. M., & Brillas, E. (2009). Decontamination of wastewaters containing synthetic organic dyes by electrochemical methods: a general review. Applied Catalysis B: Environmental, 87 (3), Inoue, T., Fujishima, A., Konishi, S., & Honda, K. (1979). Photoelectrocatalytic reduction of carbon dioxide in aqueous suspensions of semiconductor powders. Nature, 277 (22), Ishitani O., Inoue, C., Suzuki, Y., & Ibusuki, T. (1993). Photocatalytic reduction of carbon dioxide to methane and acetic acid by an aqueous suspension of metaldeposited TiO2. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 72 (3), Linsebigler A. L., Lu, G., & Yates, J. T. (1995). Photocatalysis on TiO2 surfaces: principles, mechanisms, and selected results. Chemical Reviews, 95 (3), Lukac, J., Klementova, M., Bezdicka, P., Bakardjieva, S., Subrt, J., Szatmary, L., & Jikovsky, J. (2007). Influnce of Zr as TiO2 doping ion on photocatalytic degradation of h VB H O OH 2 H )2( نتیجهگیری فوتوکاتالیز به عنوان یکی از روشهای اکسایش پیشرفته یکی از فرایندهایی است که در آن یک فوتوکاتالیزور که در اکثر مواقع یک نیمههادی است میتواند با کمک نور واکنش اکسایش و یا کاهش یک ماده را تسریع نماید. این فرایند بر اساس انتقال الکترون از نوار ظرفیت به نوار هدایت نیمههادی و تشکیل الکترون-حفره استوار میباشد. امروزه این فرایند کاربرد زیادی را در حذف آالیندهها از محیط زیست به ویژه تصفیه پسابها پیدا نموده است و کاربرد آن در این مورد نیز رو به افزایش است. منابع Barka, N., Qourzal, S., Assabbane, A., Nounah, A., & Ait-Ichou Y. (2008). Factors influencing the photocatalytic degradation of rhodamine B by TiO2-coated non-woven paper. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 195 (2-3), Candal, R. J., Zeltner, W. A., & Anderson, M. A. (2000). Effects of ph and applied potential on photocurrent and oxidation rate of saline solutions of formic acid in a photoelectrocatalytic reactor. Environmental Science & Technology, 34 (16),

7 Sato, S., & White, J. M. (1980). Photoassisted water-gas shift reaction over platinized titanium dioxide catalysts. Journal of American Chemical Society, 102 (24), Yousefi Z., Mohmadpour, R. A., Zarei, E., & Barafrashtehpour, M. (2014). Lignin degradation from synthetic wastewater of pulp and paper industries by using of UV/Fe-Doped TiO2 photocatalytic process. Journal of Mazandaran University Medical Sciences, 23 (2), (Persian). Abstract It has been proven that the presence of catalysts enhances the rate of reactions. Also, the role of TiO2 as a photocatalyst in oxidation and photodecomposition has been studied. On the other hand, the discharge of the colored compounds in the environment causes considerable non-aesthetic pollution and serious health-risk factors. Since conventional wastewater treatment plants cannot degrade the majority of these pollutants, powerful methods for the decontamination of dyes wastewaters have received increasing attention over the past decade. In this work, the contents have been presented about the principles of photocatalysis process. In this regard, band theory has been mentioned that it is indicative of the main cause of the difference between conductive, semiconductor and insulator materials. In the following, the phenomena occurring due to the optical excitation effect of a semiconductor have been discussed. Also, the structure of some allotropes of TiO2 has 4-chlorophenol. Applied Catalysis B: Environmental 74 (1-2), Many, A., Goldstein, Y., Grover, N. B. (1965). Semiconductor Surfaces, North Holland, Amsterdam. Matthews, R. W. (1988). An adsorption water purifier with in situ photocatalytic regeneration. Journal of Catalysis, 113 (2), Nosaka, Y. & Fox, M. A. (1988). Kinetics for electron transfer from laser-pulseirradiated colloidal semiconductors to adsorbed methylviologen. Dependence of the quantum yield on incident pulse width. Journal of Physical Chemistry, 92 (7), Ohno, T., Miyamoto, Z., Nishijima, K., Kanemitsu, H., & Xueyuan, F. (2006). Sensitization of photocatalyst activity of S- or N-doped TiO2 particles by adsorbing Fe 3+ cations. Applied Catalysis A: Genaral, 302 (1), Oliveria, H. G., Nery, D. C., & Longo, C. (2010). Effect of applied potential on photocatalytic phenol degradation using nanocrystalline TiO2 electrodes. Applied Catalysis B: Environmental, 93 (3-4), Ollis, D. F., & Ekabi, H. A. (1993). Photocatalytic Purification and Treatment of Water and Air, Amsterdam. 21

8 been investigated. In the end, briefly, some applications of photocatalysis process, particularly in the removals of pollutants from wastewater have been expressed. Keywords: Photocatalysis, Band theory, Semiconductor, TiO2, Removal of pollutants 22