نور مرئی فعال شده ی Ce–Si دو بار تغلیظ شده در فوتوکاتالیزور تیتانیوم دی‌اکسید

فایل اصلی و ترجمه مقاله

Visible-light-activated Ce–Si co-doped TiO2 photocatalyst

از    ELSEVIER

افزایش کارایی فوتوکاتالیزوری: نانوذرات TiO2 دوپ‌شده با سریم و سیلیسیم برای جذب نور مرئی

در دنیای امروز، مبارزه با آلاینده‌های محیطی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است و فوتوکاتالیست‌ها نقش کلیدی در این نبرد ایفا می‌کنند. در میان آن‌ها، نانوکریستال‌های TiO2 (دی‌اکسید تیتانیوم) به دلیل پایداری و فعالیت فوتوکاتالیستی بالا، همواره مورد توجه بوده‌اند. اما این ماده، یک چالش اساسی دارد: تنها تحت تأثیر نور فرابنفش فعال می‌شود که بخش کوچکی (۳-۵%) از انرژی خورشید را شامل می‌شود. علاوه بر این، نرخ بازترکیب الکترون-حفره در TiO2 بالا است که به ضرر کارایی آن است.

محققان همواره به دنبال روش‌هایی برای افزایش جذب نور مرئی توسط TiO2 و کاهش بازترکیب الکترون-حفره بوده‌اند. یکی از رویکردهای مؤثر، دوپ کردن (تغلیظ) TiO2 با یون‌های فلزی یا غیرفلزی است. در این راستا، تحقیقات اخیر بر TiO2 دوپ‌شده با سریم (Ce) و سیلیسیم (Si) متمرکز شده است تا فعالیت فوتوکاتالیستی آن را تحت تابش نور مرئی به حداکثر برساند.

نوآوری در سنتز: نانوذرات Ce-Si/TiO2 با پایداری حرارتی بالا

برای افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی تحت نور مرئی و پایداری حرارتی TiO2، موادی از جنس TiO2 دوپ‌شده با سریم و سیلیسیم (Ce–Si) از طریق یک روش بی‌آب سنتز شده‌اند. هدف اصلی این روش، کاهش تراکم بین اجزای TiO2 است.

نتایج نشان داد که مواد حاصل، فاز آناتاز (یکی از فازهای کریستالی TiO2) را حفظ کرده و حتی پس از عملیات حرارتی (کلسیناسیون) در دمای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد، مساحت سطح وسیعی (۱۰۳.۳ متر مربع بر گرم) را حفظ می‌کنند. بررسی‌های XPS (طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس) نیز نشان داد که:

• سیلیسیم (Si) به شبکه TiO2 بافته شده است.
• سریم (Ce) عمدتاً به صورت اکسید روی سطح ذرات TiO2 قرار دارد.

به نظر می‌رسد سیلیسیم دوپ‌شده با افزایش مساحت سطح و سرکوب انتقال فاز از آناتاز به روتیل (فاز دیگر TiO2)، به پایداری کمک می‌کند. در حالی که سریم دوپ‌شده به جذب نور مرئی منجر شده و مانع رشد کریستال‌ها در طول عملیات حرارتی می‌شود.

فعالیت فوتوکاتالیستی بی‌نظیر: Ce-Si/TiO2 فراتر از انتظار

عملکرد فوتوکاتالیستی نانوذرات Ce–Si/TiO2 با تجزیه‌ی رنگ رودامین B (Rhodamine B)، تحت تابش نور مرئی، مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج به وضوح نشان داد که فعالیت فوتوکاتالیستی Ce–Si/TiO2 به طور چشمگیری از TiO2 خالص بیشتر است و در مقادیر ۰.۵ مول درصد سریم و ۱۰ مول درصد سیلیسیم به حداکثر می‌رسد. این یک پیشرفت چشمگیر در زمینه‌ی کاربرد TiO2 برای تصفیه‌ی آلاینده‌ها در حضور نور خورشید است.

چرا دوپینگ با سریم و سیلیسیم اینقدر مؤثر است؟

• نقش سریم (Ce): یون‌های سریم می‌توانند طیف جذب نوری TiO2 را به سمت نور مرئی گسترش دهند. نقش جفت ردوکس Ce4+/Ce3+ و تشکیل جاهای خالی اکسیژن ناپایدار، در افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی مؤثر است.
• نقش سیلیسیم (Si): سیلیسیم دوپ‌شده به افزایش پایداری حرارتی، افزایش مساحت سطح و حفظ فاز آناتاز کمک می‌کند. همچنین، می‌تواند از تجمع ذرات TiO2 در طول عملیات حرارتی جلوگیری کند و باعث پراکندگی بهتر نانوکریستال‌ها شود. سیلیسیم با ورود به شبکه TiO2، حرکت مرزهای دانه را مهار کرده و از رشد بیش از حد دانه‌ها جلوگیری می‌کند.

ترکیب این دو عنصر، به طور هم‌افزا عمل می‌کند: سریم جذب نور مرئی را تقویت می‌کند، در حالی که سیلیسیم پایداری ساختار و مساحت سطح را تضمین می‌کند. این ترکیب، منجر به تولید فوتوکاتالیست‌هایی با کارایی بالا و پایدار می‌شود که می‌توانند به طور مؤثر آلاینده‌های آلی را تحت تابش نور مرئی تجزیه کنند.

نتیجه‌گیری: آینده‌ای روشن‌تر با فوتوکاتالیست‌های نوین

این تحقیق نشان می‌دهد که نانوذرات TiO2 دوپ‌شده با سریم و سیلیسیم، که با یک روش ساده و بی‌آب سنتز شده‌اند، می‌توانند به طور مؤثری فعالیت فوتوکاتالیستی تحت نور مرئی را افزایش دهند. این مواد، پایداری حرارتی عالی، مساحت سطح بالا و توانایی جذب نور مرئی را ترکیب می‌کنند و راه را برای توسعه‌ی نسل جدیدی از فوتوکاتالیست‌ها برای کاربردهای محیطی هموار می‌سازند. بیشترین کارایی در غلظت‌های بهینه‌ی Ce و Si و دمای کلسیناسیون ۵۰۰ درجه سانتی‌گراد به دست آمد که نشان‌دهنده‌ی پتانسیل بالای این مواد برای تصفیه‌ی آب و هوا در شرایط واقعی است.

مطالعه بیشتر