بررسی تجربی پایداری گرمایی تیتانیوم دی‌اکسید با استفاده از مواد دوپه شونده و سیلیکا به عنوان پایه کاتالیستی در دماهای بالا

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

یکی از روش‌های از بین بردن آلودگی‌های مواد آلی فرار موجود بر روی سطح‌ کاشی‌ها استفاده از نانوکاتالیست نوری تیتانیوم دی‌اکسید و پوشش آن بر روی سطح‌ها می‌باشد. این پوشش دهی ترجیحا در دمای بالاتر از هزار درجه سلسیوس انجام می‌پذیرد. تیتانیوم دی‌اکسید به علت تغییر فاز در دماهای بالاتر از هزار درجه سلسیوس نمی‌تواند خاصیت کاتالیست نوریی خود را حفظ کند. در این پژوهش‌ تجربی، نانوساختار تیتانیوم دی‌اکسید بر پایه‌ سیلیکا با یون‌های نیکل و نیتروژن دوپه شد که روشی خیلی ساده و اقتصادی می‌باشد. نانوساختار به‌دست آمده تا دمای C° 1250 کلسینه شد و از فناوری‌های SEM، XRD، FT-IR  و TGA برای آنالیز نانوساختار استفاده شد. نتیجه‌ها نشانگر پایداری گرمای نانوساختار در دمای C1250° می‌باشد. با استفاده از دوپانت و بر پایه‌ سیلیکا، تغییر فاز آناتاز به روتایل تیتانیوم دی‌اکسید در دماهای بالا به تعویق می‌افتد. فاز آناتاز تیتانیوم دی‌اکسید دوپه شده دو جزئی (نیکل، نیتروژن) تا دمای C° 700 پایداری از خود نشان می‌دهد. برای پایدار بودن در دماهای بالاتر، از 2 فناوری گوناگون استفاده شده است. در دمای C° 700 مقدار فاز آناتاز تیتانیوم دی‌اکسید دوپه شده در عدم حضور سیلیکا، 83 % می‌باشد ولی در دمای C° 800 به فاز روتایل تبدیل شده است. اما با افزودن سیلیکا در دمای C° 1250 حدودا 86% فاز آناتاز مشاهده می‌شود.

کلیدواژه‌ها


[1] Spengler J.D., Samet J.M., McCarthy J.F., “Indoor Air Quality Handbook”, (2001).
[2] Ho K.Y., “Nanostructured Environmental Catalysts for Carbon Monoxide and Volatile Organic Compounds Removal”, Ph.D. Thesis, Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, (2006).
[3] Wang S., Ang H., Tade M.O., Volatile Organic Compounds in Indoor Environment and Photocatalytic Oxidation: State of the Art, Environment international., 33(5): 694-705 (2007).
[4] Maggos T.H., Plassais A., Bartzis J.G., Vasilakos C.H., Moussiopoulos N., Bonafous L., Photocatalytic Degradation of NOx in a Pilot Street Canyon Configuration using TiO2-Mortar Panels, Environmental Monitoring and Assessment, 136(1-3): 35-44 (2008).
[5] Janus M., Zatroska J., Czyzewski A., Zając K., Self-Cleaning Properties of Cement Plates Loaded with N, C-Modified TiO2 Photocatalysts, Applied Surface Science, 330: 200-206 (2015).
[6] Fujishima A., Rao T.N., Tryk D.A., Titanium Dioxide Photocatalysis, Journal of photochemistry and photobiology C: Photochemistry reviews, 1(1): 1-21 (2000).
[8]  Zhang H., Xing Z., Zhang Y., Zhenzi Li ., Chuntao L., Zhou W., Ni2+ and Ti3+ Co-Doped porous Black Anatase TiO2 with Unprecedented-High Visible-Light-Driven Photocatalytic Degradation Performance, RSC Advances, 5(129): 107150-107157 (2015).
[9] Hosseini Z.M., Coating of ZnO–TiO2 Nano Composite on Ceramic Tiles by Sol-Gel and Photocatalytic Property Study, International Color & Coating Congress, (2015).
[10] Ducman V., Petrovič S.D., Photo-Catalytic Efficiency of Laboratory Made and Commercially Available Ceramic Building Products, Ceramics International, 39(3): 2981-2987 (2013).
[11] Khairy M., Zakaria W., Effect of Metal-Doping of TiO2 Nanoparticles on their Photocatalytic Activities Toward Removal of Organic Dyes, Egyptian Journal of Petroleum, 23(4): 419-426 (2014).
[13] Zou H., Wu S., Shen J., Polymer/Silica Nanocomposites: Preparation, Characterization, Properties, and Applications, Chem. Rev., 108: 3893 (2008).
[14] Pasikhani J.V., Gilani N., Pirbazari A.E, The Effect of the Anodization Voltage on theGeometrical Characteristics and Photocatalytic Activity of TiO2 Nanotube Arrays, Nano-Structures & Nano-Objects, 8: 7–14 (2016).
[15] Ganesh I., Kumar P.P., Sekhar P.S.C., Radha K., Padmanabham G., Sundararajan G., Preparation and Characterization of Ni-Doped TiO2 Materials for Photocurrent and Photocatalytic Applications, The Scientific World Journal, 2012: 127326 (2012)
[16] Furlong D., Sing K., Parfitt G., The Precipitation of Silica on Titanium Dioxide Surfaces: I. Preparation of Coated Surfaces and Examination by Electrophoresis, Journal of Colloid and Interface Science, 69(3): 409-419 (1979).
[17] Xo J., Ao Y.H., Fu D., Yuan C., A Simple Route for the Preparation of Eu, N-Codoped TiO2 Nano Particles with Enhanced Visible Light-Induced Photocatalytic Activity, J. Colloid Interface Sci., 328(2): 447–451 (2008).
[18] Banerjee S., Dionysiou D.D., Pillai S.C., Self-Cleaning Applications of TiO2 by Photo-Induced Hydrophilicity and Photocatalysis, Applied Catalysis B: Environmental, 176: 396–428 (2015).
[19] Chand R., Obuchi E., Katoh K., Nath Luitel H., Nakano K., Enhanced Photocatalytic Activity of TiO2/SiO2 by the Influence of Cu-Doping under Reducing Calcination Atmosphere, Catalysis Communications, 13(1): 49-53 (2011).
[20] وهاب‌زاده پسیخانی ج.، گیلانی ن.، ابراهیمیان پیربازاری آ.، بررسی عملکرد کاتالیست نوریی نانولوله‌های هم راستای تیتانیوم دی اکسید در محلول‌های آلاینده آلی دارای هیدروژن پراکسید، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (4)36: 137 تا 144 (1396).
[21] Fagan R., Mcormack E.D., Hinder S., Pillai C.S., Improved High Temperature Stability of Anatase TiO2 Photocatalysts by N, F, P Codoping, Materials & Design, 96: 44-53 (2016).
[22]   Kang C., Jing L., Guo T., Cui H., Zhou J., Fu H., Mesoporous SiO2-Modified Nanocrystalline TiO2 with High Anatase Thermal Stability and large Surface Area as Efficient Photocatalyst, The Journal of Physical Chemistry C, 113(3): 1006-1013 (2008).
[23] Binas V., Venieri D., Kotzias D., Kiriakidis G., Modified TiO2 based Photocatalysts for Improved Air and Health Quality, Journal of Materiomics, 3(1): 3-16 (2017).
 [24] بشارتی سیدانی ع.، غلامی م.ر.، تخریب فوتوکاتالیستی یک نمونه رنگ آزو به کمک نانو کامپوزیت‌های بر پایه TiO2 اصلاح شده با فلزهای Pt، Pd و Ni، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، (1)34: 39 تا 49 (1394).
[25] Wei X., Zhu G., Fang J., Chen J., Synthesis, Characterization, and Photocatalysis of Well-Dispersible Phase-Pure Anatase TiO2 Nanoparticles, International Journal of Photoenergy, 2013: 726872 (2013).
[26] Teixeira da Fonseca Bruna, Elia E., Siqueira Júnior J.M., de Oliveira S.M., Castro K.L.d.S., Ribeiro E.S., Study of the Characteristics and Properties of the SiO2/TiO2/Nb2O5 Material Obtained by the Sol–Gel Process, Scientific Reports., 11(1): (2021).
 [27] Baheiraei N., Moztarzadeh F., Hedayati M., Preparation and Antibacterial Activity of Ag/SiO2 Thin Film on Glazed Ceramic Tiles by Sol–Gel Method, Ceramics international, 38(4): 2921- 2925 (2012).
[28] Leyland N.S., Carroll J.P., Browne J., Hinder S.J., Quilty B., Pillai S.C., Highly Efficient F, Cu Doped TiO2 Anti-Bacterial Visible Light Active Photocatalytic Coatings to Combat Hospital-Acquired Infections, Scientific reports, 6: 24770 (2016).
[29] Huang W.F., Raghunath P., Computational Study on the Reactions of H2O2 on TiO2 Anatase (101) and Rutile (110) Surfaces, Journal of Computational Chemistry, 32: 1065-1081 (2010).
[30] Habisreutinger S.N., Schmidt‐Mende L., Stolarczyk J.K., Photocatalytic Reduction of CO2 on TiO2 and other Semiconductors. Angewandte Chemie International Edition, 52(29): 7372-7408 (2013).
[31] Zhao L., Yua X., Zhanga S., Menghui J, Changa M., Pana H., Wang W., Xu J., The Phosphorescence and Excitation-Wavelength Dependent Fluorescence Kinetics of Large-Scale Graphene Oxide Nanosheets, RSC Advances, 7(37): 22684-22691 (2017).
[32] Salvaggio M.G., Passalacqua R., Abate S., Perathoner S., Centi G., Transparent Nanostructured Titania Coatings with Self-Cleaning and Antireflective Properties for Photovoltaic Glass Surfaces, CEt Chem. Eng. Trans, 43: 745-750 (2015).
[33] Baryshnikov G., Minaev B., Ågren H., Theory and Calculation of the Phosphorescence Phenomenon, Chemical reviews, 117(9): 6500-6537 (2017).
[34] Boyce J.M., Modern Technologies for Improving Cleaning and Disinfection of Environmental Surfaces in Hospitals, Antimicrobial Resistance & Infection Control, 5: 10 (2016).
[35] Minaev B., Baryshnikov G., Agren H., Principles of Phosphorescent Organic Light Emitting Devices, Physical Chemistry Chemical Physics, 2014(5): (2014).
[36] Chien D.M., Dung D.T.M., Dam L.D., Preparation of Nitrogen Co-Doped SiO2/TiO2 Thin Films on Ceramic with Enhanced Photocatalytic Activity under Visible-Light Irradiation, Journal of Experimental Nanoscience, 7(3): 254-262 (2012).
[37] Harvey D., “Modern Analytical Chemistry”, McGraw-Hill New York, (2000).
[38] Ke S., Cheng X., Wang Q., Wang Y., Preparation of a Photocatalytic TiO2/ZnTiO3 Coating on Glazed Ceramic Tiles, Ceramics International, 40(6): 8891-8895 (2014).
[39] Kusano D., Emori M., Sakama H., Influence of Electronic Structure on Visible Light Photocatalytic Activity of Nitrogen-Doped TiO2. RSC Advances, 7(4): 1887-1898 (2017).
[40] Fagan R., Synnott D.W., McCormack  D.E., Pillai S.C., An Effective Method for the Preparation of High Temperature Stable Anatase TiO2 Photocatalysts, Applied Surface Science, 371: 447-452 (2016).
[41] Wang S., Ang H., Tade M.O., Volatile Organic Compounds in Indoor Environment and Photocatalytic Oxidation: State of the Art, Environment international, 33(5): 694-705 (2007).