فایل پایان نامه خواص کاربردها و روش های سنتز نانو ذرات اکسید تیتانیوم
پایان نامه خواص کاربردها و روش های سنتز نانو ذرات اکسید تیتانیوم
مطالب پایان نامه:
فصل اول: آشنایی با دی اکسید تیتانیوم، معرفی خواص و کاربردهای آن.. 1
1-1- مقدمه. 1
1-2- معرفی انواع ساختارهای کریستالی دی اکسیدتیتانیوم 2
1-2-1- فاز آناتاس… 2
1-2-2- فاز روتایل 3
1-2-3- فاز بروکایت 4
1-2-4- فاز β-TiO2 4
1-3- خواص فیزیکی و شیمیایی TiO2 6
1-3-1- خواص اپتیکی.. 6
1-3-2- خواص الکتریکی.. 7
1-3-3- خواص الکترون و حفره در TiO2 7
1-3-4- خواص شیمیایی.. 8
1-3-5- خاصیت فتوکاتالیستی.. 9
1-3-5-1- مکانیزم واکنش های فتوکاتالیستی در TiO2 12
1-3-6- خاصیت ابرآبدوستی.. 15
1-4- کاربردهای نانومواد دی اکسیدتیتانیوم. 16
1-4-1- کاربردهای ضدمیکروبی، ضدویروسی و ضدقارچ. 16
1-4-2- کاربردهای ضدسرطان.. 18
1-4-3- تصفیه هوا 19
1-4-4- تصفیه آب.. 21
1-4-5- پوشش های خودتمیزشونده 21
1-4-6- مه زدایی.. 22
1-4-7- کاربرد در سلول های خورشیدی حساس شده رنگی.. 23
1-4-8- مصارف دارویی.. 24
1-4-9- کاربردهای دندانپزشکی.. 24
فصل دوم: مروری بر روش های سنتز نانوذرات و لایه های نازک دی اکسیدتیتانیوم.. 27
2-1- روش های سنتز از فاز مایع. 27
2-1-1- روش سل ژل 28
2-1-1-1- روش سل ژل برای تهیه نانوذرات TiO2 28
2-1-1-2- مراحل فرایند سل-ژل.. 30
2-1-2- روش هم رسوبی.. 36
2-1-3- روش سولوترمال.. 36
2-1-4- سنتز نانوذرات به روش هیدروترمال.. 37
2-1-5- روش مایسل معکوس یا میکروامولسیون 38
2-1-6- روش احتراقی 39
2-1-7- روش الکتروشیمیایی 40
2-2- روش های سنتز از فاز گازی.. 41
2-2-1- لایه نشانی بخار شیمیایی (CVD) 41
2-2-2- لایه نشانی بخار فیزیکی (PVD) 45
2-2-3- کندوپاش (Sputtering) 45
2-2-4- روش چگالش از بخار شیمیایی (CVC) 47
2-2-5- روش لایه نشانی اسپری پایرولیزیز (SPD) 48
2-3- مروری بر مقالات بین المللی در زمینه خواص ساختاری و اپتیکی نانوذرات و لایه های نازک اکسید تیتانیوم 49
2-3-1- سنتز نانوذرات TiO2به روش سل ژل.. 49
2-3-2- سنتز نانوذرات TiO2 در دمای پایین به روش سل-ژل.. 51
2-3-3- سنتز نانوذرات تیتانیا به روس هیدروترمال با امواج فراصوتی.. 53
2-3-4- سنتز نانوپودر تیتانیا به روش CVC.. 54
2-3-5- خواص ساختاری و اپتیکی لایه های نازک اکسیدتیتانیوم به روش اسپری پایرولیزیز. 56
2-3-6- مشخصه یابی لایه های نازک TiO2 تهیه شده به روش کندوپاش (اسپاترینگ) 58
2-3-7- سنتز لایه های نازک TiO2 به روش CVD.. 61
فصل سوم: مطالعه پارامترهای سنتز بر روی خواص ساختاری و اپتیکی نانوساختارهای اکسید تیتانیوم 63
3-1- بررسی پارامترهای موثر بر روی خواص نانوساختارهای اکسید تیتانیوم تهیه شده به روش سل- ژل.. 63
3-1-1- نقش عامل کمپلکس ساز 63
3-1-1-1- سنتز نانوذرات تیتانیا با حضور عامل کمپلکس ساز مختلف به روش سل ژل.. 64
3-1-1-2- مقایسه عملکرد عامل های کمپلکس ساز در تهیه لایه های نازک TiO2 به روش سل ژل.. 67
3-1-2- نقش حلال.. 75
3-1-3- اثر دمای بازپخت… 81
3-1-4- تغییر نسبت آب به آلکوکسید. 85
3-1-5- نوع کاتالیزور 88
3-1-6- اثر pH.. 89
3-2- بررسی پارامترهای موثر بر روی خواص لایه های نازک اکسید تیتانیوم تهیه شده به روش اسپری پایرولیزیز 92
3-2-1- اثر روش لایه نشانی (اسپری پایرولیزیز و مگنترون اسپاترینگ) بر روی خواص ساختاری، اپتیکی و فوتوکاتالیستی TiO2 92
3-2-2- بررسی خواص لایه های نازک تهیه شده به روش اسپری پایرولیزیز با تغییردمای بستر و تغییر زیرلایه 96
فصل چهارم:غشاءها و نحوی عکلکرد انها ……………
مراجع. 100
فهرست جدولها
جدول1-1: خواص فیزیکی اکسیدتیتانیوم 5
جدول2-1: شرایط فرایند CVD برای رسوب فلزات و نیمرساناها 44
جدول2-2: پارامترهای لایه نشانی با مقادیر بهینه به روش اسپری پایرولیزیز. 57
جدول2-3: تاثیر دمای زیرلایه بر روی خواص لایه های نازک TiO2 سنتز شده به روش اسپری.. 58
جدول3-1: ترکیب فاز لایه ها بصورت تابعی از دما برای هر عامل کمپلکس ساز (با استفاده از داده های رامان) 72
جدول3-2: ترکیب فاز لایه ها بصورت تابعی از دما برای هر عامل کمپلکس ساز و اندازه ذرات محاسبه شده با فرمول دبی-شرر.(با استفاده از داده های XRD) 73
جدول3-3: ترکیب و شکل ظاهری رسوب تیتانیا با حلال های مختلف… 77
جدول3-4: میانگین اندازه بلورک ها با رابطه شرر 79
جدول3-5: نتایج اندازه گیری های XRD و تعیین اندازه بلورک ها با رابطه شرر 85
جدول3-6: مساحت سطح موثر نانوذرات تیتانیا در دماهای بازپخت مختلف… 84
جدول3-7: مساحت سطح موثر پودر تیتانیا در درجه هیدرولیز متفاوت با کاتالیزور مختلف 87
جدول3-8: رابطه بین تعدادی از خواص فیزیکی فیلم TiO2و پارامترهای لایه نشانی به روش اسپاترینگ… 94
جدول3-9: رابطه بین تعدادی از خواص فیزیکی فیلم TiO2و پارامترهای لایه نشانی به روش اسپری پایرولیزیز 93
جدول3-10: شرایط لایه نشانی و خواص فیزیکی لایه های آناتاس بر روی بستر کوارتز و (100) Si 97
فهرست شکلها
شکل 1-1: نمایش ساختار بلوری آناتاس 3
شکل 1-2: نمایش ساختار بلوری روتایل 3
شکل 1-3: نمایش ساختار کریستالی بروکایت 4
شکل 1-۴: نمایش ساختارهای کریستالی TiO2که در صنعت کاربرد دارند. :●تیتانیوم :O , اکسیژن.. 6
شکل 1-5 برانگیختگی و بازترکیب الکترون 8
شکل 1-6: (a) بازترکیب سطحی، (b) بازترکیب حجمی، (c) واکنش اکسایش و (d) واکنش کاهش در سطح نیمرسانا 9
شکل ا-7 موقعیت گاف انرژی TiO2 در مقایسه با چند نیمرسانا و پتانسیل اکسایش و کاهش H2O , H2و O2 در pH=0 . 10
شکل 1-8 سلول فتوولتایی با الکترودهای TiO2و Pt 11
شکل 1-9: مقایسه اثر هوندا- فوجی شیما در TiO2 و فتوسنتز گیاهان.. 12
شکل 1-10: میزان نابودی غشاء سلولی باکتری E.coli در اثر تابش پرتو(8 W m-2) UVبا 18
شکل1-11: اثر واکنش های فتوکاتالیستی TiO2 بر میزان زنده ماندن سلول های سرطانی.. 19
شکل1-12:سامانه تصفیه کنندگی آب با پوششی از TiO2 22
شکل1-13: عملکرد پوشش های خودتمیزشونده 23
شکل1-14: (a) تصویر شیشه مه گرفته معمولی و (b) شیشه با پوششی از TiO2بعد از نوردهی UV به اندازه کافی 24
شکل1-15: طرز کار سلول خورشیدی حساس شده رنگی با نانوذرات TiO2 25
شکل2-1: نگاهی به فرایند سل ژل و کاربردهای آن.. 33
شکل2-2: مراحل تولید ژل.. 34
شکل2-3: مراحل فرایند سل-ژل.. 34
شکل2-4: مراحل مختلف تهیه ژل (a) سل (b) ژلتر (c) آئروژل (d) اگزروژل 36
شکل2-5: تشکیل مایسل معکوس… 40
شکل2-6: مراحل فرایند سنتز نانوذرات به روش مایسل معکوس 40
شکل2-7: سنتز BaFe12O9به روش احتراقی. شعله از چپ به راست در حال انتشار است 41
شکل2-8: محفظه CVD.. 43
شکل2-9: رسوب انتخابی لایه رسوبی.. 45
شکل2-10: مراحل تشکیل لایه نازک در فرایند CVD.. 45
شکل2-11: طرحوارهای از لایه نشانی کندوپاش (سمت چپ) و جداشدن الکترون از هدف، ناشی از بمباران یونی (سمت راست) 47
شکل2-12: طرح شماتیکی از دستگاه سنتز نانودرات به روش CVC.. 48
شکل2-13: طرح شماتیک از دستگاه لایه نشانی و پارامترهای موثر به روش اسپری پایرولیزی.. 50
شکل 2-14: طیف های XRD نانوذرات TiO2 در دماهای بازپخت مختلف به مدت 2 ساعت 51
شکل 2-15: منحنی تغییر اندازه نانوذرات با افزایش دمای بازپخت 51
شکل 2-16: تغییرات اندازه ذرات با افزایش مدت زمان بازپخت در دمای (a) C˚350، (b) C˚500، (c) C˚1000 52
شکل2-17: طیف پراش پرتو X نانوذرات تیتانیا (a) سنتز شده بدون عملیات پیرسازی (b) ماندگار شده در دمای C˚100به مدت 12 ساعت 53
شکل2-18: تصویر HRTEM پودر TiO2 پیرسازی شده به مدت 12 ساعت در C˚100 53
شکل2-19: طیف UV-Vis نانوپودر تیتانیا پیر شده در دماهای مختلف بازپخت… 54
شکل2-20: تصاویر TEM پودرهای TiO2 تهیه شده به روش هیدروترمال (a) به کمک امواج فراصوتی (b) معمولی 55
شکل2-21: (a) شماتیکی از محل های جمع آوری ذرات داخل راکتور CVC (b) توزیع دمایی داخل راکتور 56
شکل2-22: طیفهای XRD پودرهای جمع آوری شده در هر منطقه. 56
شکل2-23: طیف های XRD لایه های تهیه شده در دماهای بستر مختلف (a) بدون بازپخت (b) بازپخت شده در دمای C˚500 به مدت 2 ساعت. 58
شکل2-24: طیف عبور اپتیکی لایه های نازک TiO2 در دماهای بستر مختلف… 59
شکل2-25: طیف های پراش پرتو X فیلم TiO2 لایهنشانی شده و بازپخت شده 60
شکل2-26: نمودار گاف اپتیکی (a) مستقیم و (b) غیرمستقیم لایه های تهیه شده به روش RF-Sputtring 61
شکل2-27: (a) ضریب شکست (b) ضریب خاموشی رسم شده برای لایه های تهیه شده به روش اسپاترینگ 61
شکل2-28: طیف پراش پرتو X لایه های TiO2 لایه نشانی شده روی زیرلایه شیشه در دماهای (a) C˚287 (b) C˚306 (c) C˚325 (d) C˚362 62
شکل2-29: تصاویر SEMاز مقطع عرضی لایههای نشانده شده در دمای (a) C˚ 325 (b)C˚362. 63
شکل3-1: طیف XRD پودر تیتانیا تهیه شده در دمای K 368 به مدت h 24 با عامل کمپلکس ساز الف: اتیلن گلیکول در غلظت (a) mol/l0، (b) mol/l 1، (c) mol/l2 (d) mol/l5. 66
شکل3-2: حضور نسبی فاز آناتاس بر حسب غلظت های عامل کمپلکس ساز. ○: دی مانیتول، ∆: اتیلن گلیکول 66
شکل3-3: مساحت سطح موثر (SBET) نانوپودر TiO2 برحسب غلظت پلی ال. ○: دی مانیتول، ∆: اتیلن گلیکول.. 67
شکل3-4: تصاویر FE-SEM با عامل کمپلکس ساز دی مانیتول در غلظت های.. 67
شکل3-5: رابطه بین غلظت دی مانیتول و مقدار کربن.. 68
شکل3-6: طیف IR فیلم TiO2 در دماهای مختلف با عامل (الف) DEA، (ب) AcAc. 70
شکل3-7: طیف IR فیلم TiO2 در دماهای مختلف با عامل DEA+AcAc. 71
شکل3-8: طیف رامان لایه های TiO2 در دماهای مختلف با عامل (a)AcAc ، (b)PEG + AcAc. نماد A متعلق به فاز آناتاس و R متعلق به فاز روتایل 72
شکل3-9: طیف های XRD فیلم های TiO2 با عامل های کمپلکس ساز مختلف در دمای (a) C˚500 و (b) C˚800 73
شکل3-10: طیف IR محلول اولیه شامل عامل کمپلکس ساز (1) DEA، (2) TEA، (3) AcAc، (4) H3L و (5) HAC 74
شکل3-11: تصاویر SEMو مورفولوژی سطوح لایههای نازک با عامل کمپلکس ساز (a) DEA، (b) TEA، (c) AcAc، (d) HAC و (e) H3L. با حلال (a-e) EtOH و (f) n- butanol 74
شکل3-12: استیل استن در دو شکل شیمیایی.. 77
شکل3-13: شکل گیری کی لیت بین استیل استن و تیتانیوم ایزوپروپکساید. 77
شکل3-14: طیف FTIR رسوب تیتانیا (a) در حضور عامل کمپلکس ساز 78
شکل3-15: طیف XRD رسوب تیتانیا بدون عملیات حرارتی (a) با حلال استن (b) با حلال هگزان (c) باحلال استن بدون عامل کمپلکس ساز. با انجام عملیات حرارتی در دمای C˚450 برای 1 ساعت (d) با حلال استن 79
شکل3-16: تصاویر SEM رسوب تیتانیا با حلال (a) استن، (b) بوتانول.. 80
شکل3-17: تصاویر SEM رسوب تیتانیا ، با حلال (a) تولوئن و (b) هگزان، با بزرگنمایی زیاد 80
شکل3-18: عکس های TEM (a) سل کلوئیدی با ذرات TiO2، (b) ژل بدون آب (c) ژل خشک بازپخت شده در دمای C˚400 برای 2 ساعت 82
شکل3-19: الگوی پراش پرتو x اکسید تیتانیوم (a) قبل و بعد از بازپخت در دمای (b) C˚400، (c) C˚500، (d) C˚600 و (e) C˚700 83
شکل3-20 (a-d): طیف های XRDنانوپودر تیتانیا بازپخت شده در دماهای مختلف با کاتالیزور HCL و نسبت آب 1x= (a)، 2x= (b)، 3x= (c)، 4x= (d). نماد A متعلق به فاز آناتاس و R متعلق به فاز روتایل 85
شکل3-21: تغییر اندازه بلورک ها با افزایش دمای بازپخت در (a) 2x= و (b) 4x= 85
شکل3-22: تغییر اندازه بلورک ها با افزایش دمای بازپخت دردرجه هیدرولیز مختلف 86
شکل3-23: تصاویر TEMنانوذرات تیتانیا (a) سنتز شده در 1x= (b) سنتز شده در 4x= (c) بازپخت شده در دمای C˚400 برای 2 ساعت در 4x= 87
شکل3-24: طیف XRDپودر تیتانیا در دماهای بازپخت مختلف و با کاتالیزور استیل استن. نماد A متعلق به فاز آناتاس و R متعلق به فاز روتایل 88
شکل3-25: طیف XRD پودر TiO2 بازپخت شده در دمای C˚400 برای 2 ساعت در pH (a)2، (b)4، (c)6 89
شکل3-26: عکس های SEMپودر TiO2 بازپخت شده در دمای C˚400 برای 2 ساعت در pH (a)2، (b)4، (c)6 89
شکل3-27: طیف XRD پودر TiO2 بازپخت شده در دمای C˚800 برای 2 ساعت در pH (a)2، (b)4، (c)6 90
شکل3-28: عکس های SEMپودر TiO2 بازپخت شده در دمای C˚800 برای 2 ساعت در pH (a)2، (b)4، (c)6 90
شکل3-29: طیف XRD فیلم TiO2 تهیه شده به روش (a) اسپاترینگ (b) اسپری پایرولیزیز 92
شکل3-30: طیف عبور اپتیکی فیلم TiO2سنتز شده به روش (a) اسپاترینگ (b) اسپری پایرولیزیز 93
شکل3-31: تغییرات جذب متیلن آبی (ABS ∆) روی سطح فیلم TiO2 بر حسب پارامترهای لایهنشانی در دو روش اسپاترینگ و اسپری پایرولیزیز 94
شکل3-32: درصد عبور لایه های TiO2 آغشته به متیلن آبی بصورت تابعی از زمان نوردهی در دو روش اسپاترینگ و اسپری پایرولیزیز 94
شکل3-33: طیف XRD فیلم TiO2 در دمای بستر (a) C˚250، (b) 400، (c) 500 . 96
شکل3-34: تصاویر AFM (a,b) C˚250Ts=، (c,d) C˚400Ts=، (e,f) C˚500Ts= 97
شکل3-35: تصویر SEMلایه های TiO2 تهیه شده در دمای بستر (a) C˚250، (b) 400، (c) 500 …………. 98
شکل3-36: ضریب جذب و گاف غیرمستقیم لایه های نشانده شده روی بستر کوارتز 98
