چگونگی تهیه‌ی شیشه‌های خودتمیزشونده و سازوکار آن
| |
مقدمه‌ای بر فوتوکاتالیست‌ها |
امروزه کاتالیست‌های نوری یا فوتوکاتالیست‌ها، به صورت واژه‌ای رایج، محصولاتی با خاصیت نورکاتالیستی (فوتوکاتالیتیکی) هستند که به صورت تجاری تولید میشوند (Zns، CdS،TiO2 ، ZnO، Fe2O3 و...). در این بین، یکی از رایج‌ترین و مناسب‌ترین فوتوکاتالیست‌ها، دی اکسی تیتانیوم یا TiO2، است که در حال حاضر نزدیک به 60 سال در صنعت کاربرد دارد. TiO2 یک ماده‌ی شبه هادی با انرژی باند 3.2eV است، بنابراین اگر با فوتون‌هایی با انرژی بیش از 3.2eV تابیده شود، الکترون‌ها از باند ظرفیت آن به باند هادی منتقل میشوند و حفره‌ای ایجاد می‌کنند. حفره‌ای که الکترون از آن بیرون جهیده است حفره‌ی مثبت نامیده میشود که قدرت اکسیداسیون بالایی دارد و با ملکول آب واکنش می‌دهد، و یک الکترون از یون هیدروکسی (OH-) ملکول آب می‍گیرد و رادیکال بسیار فعال هیدروکسیل (.OH) را تولید می‌کند.
حفره‌ها و رادیکال‌های هیدروکسیل اکسنده‌های بسیار قوی‌ای هستند و از نظر واکنش‌دهندگی مشابه با فلورین (اکسنده‌ی بسیار قوی) عمل می‌کنند، و تقریبا قادر هستند تمام آلاینده‌های آلی را اکسید کنند. اما مزایای استفاده از TiO2 به عنوان کاتالیست نوری عبارت است از:
|
1- قیمت پایین و مناسب TiO2 به عنوان کاتالیست نوری.
2- انجام واکنش اکسایش سریع و در شرایط ملایم (در دما و شرایط جوی محیط).
3- طیف گسترده‌ای از آلاینده‌های آلی را می‌تواند به ملکول آب و دی اکسید کربن تبدیل کند.
4- نیاز به ماده‌ی شیمیایی برای آغاز واکنش ندارد و هیچ واکنش جانبی تولید نمی‌‍کند.
|
| |
زاویه‌ی تماس آب و تمیزکنندگی |
یکی دیگر از خواص سطوح پوشیده با TiO2 این است که وقتی این گونه سطوح با نور فرابنفش تابیده میشوند، یک سطح بسیار آب-دوست تشکیل میشود. میزان خیس شدن سطح جامد با آب، در هوای محیط، به کشش بین سطوح آب/ هوا، جامد/ آب و جامد/ هوا بستگی دارد. نسبت میان این کشش‌ها، زاویه‌ی تماس بین یک قطره‌ی آب و سطحی که روی آن قرار گرفته است را تعیین می‌کند. زاویه‌ی تماس صفر درجه به معنی خیس شدن کامل و زاویه‌ی تماس 180 درجه خیس نشدن کامل سطح را می‌رساند.
سازوکار تمیز شدن براساس یک زاویه‌ی تماس پایین، زمان کشف صابون شناخته شد. صابون می‌تواند از طریق کاهش کشش سطحی آب منجر به کاهش زاویه‌ی تماس شود.
شکل 1: ابر-آب-دوست: زیر 5 درجه = Ø (قطرات مسطح‌تر)
آب-دوست: زیر 30 درجه = Ø
آب-گریز: بالای 90 درجه = Ø
سوپر-آب-گریز: بالای 150 درجه = Ø
این سطوح بسیار آب-دوست، با داشتن خاصیت جذب آب، باعث میشوند که قطرات آب با کمترین زاویه‌ی تماسی روی سطح قرار بگیرند و حتی در حضور تابش نور فرابنفش نیز، رفتار آب دوستی سطح TiO2، تا دو روز باقی بماند. بنابراین، چربی، چرک و دیگر آلودگی‌ها به سهولت با وجود بخار آب که به صورت لایه‌ای تشکیل شده است، جاروب میشوند. اين لايه مانع از مه‌گرفتگي سطح نيز مي‌شود، زيرا آب متراکم به جاي تبديل شدن به مه که متشکل از هزاران قطره‌ي بسيار کوچک است، بر روي سطح پخش مي‌شود. در شکل 2 سعی شده است این مراحل نشان داده شود، (شکل چپ: کاشی پوشش داده نشده با TiO2 و شکل راست: کاشی پوشش داده شده با TiO2).
شکل 2
| |
کاربردهای فوتوکاتالیست TiO2 |
با وجود دو خاصیت نورکاتالیستی و ابر-آب-دوستی TiO2، در حضور نور خورشید، کاربردهای جدید و فراوانی برای این فوتوکاتالیست در نظر گرفته شده است. از جمله اثر خود تمیز شوندگی، اثر ضد باکتری، اثر پاک‌کنندگی هوا، ضد غبار و دود و تصفیه‌ی آب، که به صورت دیاگرام در شکل 3 آورده شده است.
شکل 3
| |
تهیه‌ی شیشه‌های خودتمیزشونده و سازوکار آن |
برای تهیه‌ی شیشه‌ی خود تمیز شونده، یک لایه نازک از پوشش حاوی TiO2 ، بر روی سطح شیشه اعمال میشود. این سطح تحت تابش UV خاصیت فوق-آب-دوستی پیدا می‌کند. در این حالت آب به محض تماس با سطح به صورت یک ورقه روی سطح پخش میشود. پس از انجام واکنش‌های اکسایش، آلودگی‌های آلی، غیرآلی، باکتری‌ها و یا ویروس‌ها تخریب می‌گردند، سپس آب موجود بر روی سطح، مواد حاصل از تخریب را به راحتی می‌زداید .
مواد آب-دوست با داشتن کشش سطحی بالا می‌توانند پیوندهای هیدروژنی با آب تشکیل دهند. دی اکسید تیتانیوم نیز پس از تابش UV آب-دوست میشود. در این حالت الکترون‌های تولید شده در جریان واکنش فوتوکاتالیستی، کاتیون‌های Ti+4 را به Ti+3 تبدیل کرده و حفره‌ها، آنیون‌های O2 را اکسید می‌کنند.
در این فرایند اتم‌های اکسیژن بیرون رانده شده و مولکول‌های آب، حفره‌های ایجاد شده را پر می‌کنند. به این ترتیب گروه‌های OH بیشتری بر روی سطح ذرات TiO2 قرار گرفته، آب-دوستی سطح را افزایش می‌دهند. هر قدر سطح در تماس بیشتری با نور UV قرار گیرد، زاویه تماس آب کوچک‌تر میشود. پس از زمان کوتاهی تحت تابش متوسط نور UV، زاویه تماس به صفر می‌رسد و آب تمایل به پخش شدن بر روی سطح را پیدا می‌کند و به طور هم‌زمان فرایند تخریب آلودگی‌های آلی نیز رخ می‌دهد. با تخریب آلودگی‌های آلی موجود بر روی سطح، مولکول‌های آبی که که به شکل جذب شیمیایی بر روی سطح قرار داشتند دوباره به صورت آزاد روی سطح قرار می‌گیرند. آب‌های جذب شیمیایی شده، آب موجود در محیط را جذب فیزیکی می‌کنند و به این ترتیب آب روی سطح تجمع پیدا کرده، کاملاً پخش میشود و می‌تواند محصول واکنش تخریب را همراه خود از روی سطح بزداید.
بیشتر بخوانید:
بمنبع:
http://www.nano-zone.net/certificate.php
نویسنده: عاطفه قویدست
دانشجوی سال دوم دکتری شیمی آلی
دانشگاه گیلان