چكيده فارسي :
كنترل آلودگيهاي محيطي، يكي از مهمترين ملاحظات قرن حاضر به حساب ميآيد. امروزه حضور آلايندههاي رنگي و دارويي در منابع آب، يكي از بارزترين تهديدهاي زيستمحيطي به شمار رفته و تاكنون تدابير مختلفي در جهت برطرف نمودن اين مشكل اتخاذ شده است. در اين ميان ميتوان از فرايندهاي فتوكاتاليستي به عنوان يكي از نويدبخشترين و پربازدهترين رويكردها در اين زمينه ياد كرد. در ميان مواد فتوكاتاليستي مختلف، نانوذرات دياكسيدتيتانيوم دگوسا (P25) كه از اتصال غيرهمگن ميان فازهاي روتيل و آناتاز حاصل ميشوند؛ راندمان فتوكاتاليستي مطلوبي را از خود به نمايش گذاشتهاند. با اين وجود، محدوديت در استفاده از فرم پودري اين ماده فتوكاتاليستي، قابليت فعاليت فتوكاتاليستي آن تنها در بخش كوچكي از طيف نور خورشيد و همچنين نرخ بالاي بازتركيب حاملان بار در آن، سه محدوديت اصلي استفاده از اين نيمهرسانا به حساب ميآيد. هدف اصلي اين پژوهش، ارائه راهكارهايي جهت غلبه بر محدوديتهاي ذكر شده و افزايش راندمان فتوكاتاليستي اين نيمهرسانا در راستاي تخريب آلايندههاي متيلن آبي و آنتيبيوتيك سيپروفلوكساسين تحت طيف كامل نور خورشيد ميباشد. در راستاي رفع محدوديت استفاده از حالت پودري نانوذرات TiO2، ساخت پوششي از اين نانوذرات به عنوان مبناي اصلي اين پژوهش انتخاب شد. جهت جبران كاهش سطح ويژه نانوذرات پس از پوششدهي، رويكرد تغيير مورفولوژي اين پوشش با ايجاد تخلخل در آن اتخاذ گرديد. بدين منظور، از حضور الگوهاي نرم متنوع همچون تريتون ايكس-100، پلياستر، پلورونيك F127 و پلورونيك P123 در پوشش مذكور و افزايش تعداد مراكز فعال جهت انجام واكنشهاي فتوكاتاليستي با حذف حرارتي اين عوامل ايجادكننده تخلخل بهره گرفته شد. انتخاب پوشش مزومتخلخل بهينه از طريق مشخصهيابيهاي متنوع و ارزيابي رفتار فتوكاتاليستي اين پوششها در جهت حذف آلاينده متيلن آبي تحت طيف كامل نور خورشيد انجام پذيرفت. نتايج تأييدي بر افزايش 9/27، 5/36، 9/93 و 6/99 درصدي راندمان فعاليت فتوكاتاليستي اين پوششها در مقايسه با پوشش متراكم داشت. به طور موازي با اين فاز از پژوهش، حساسسازي سطح نانوذرات P25 از طريق ايجاد پيوند ميان ليگاندهاي 4-هيدروكسي بنزوئيك اسيد و اين نانوذرات انجام شد. پس از ارزيابيهاي مختلف و تأييد صحت رويكرد حساسسازي، اين نانوذرات اصلاح شده، به عنوان منبع دياكسيدتيتانيوم در پوشش مزومتخلخل بهينه جايگزين شدند. حضور اين نانوذرات در پوشش مذكور، با افزايش سطح ويژه پوشش در نتيجه افزايش پايداري ذرات در محلول كلوئيدي و همچنين انتقال طول موج لبه جذب تيتانيا و كاهش 5/7 درصدي شكاف نواري از طريق تشكيل درجاي كروموفورها، موجب افزايش 120 درصدي راندمان فتوكاتاليستي اين پوشش در مقايسه با پوشش متراكم شد. در ادامه جهت تضمين دسترسي واكنشدهندهها و نور به مراكز فعال پوشش به منظور انجام واكنشهاي فتوكاتاليستي، رويكرد ايجاد ماكروتخلخلها در كنار مزوتخلخلهاي پوشش بهينه اتخاذ شد. ساخت اين پوشش سلسلهمراتبي، از طريق پوششدهي محلول كلوئيدي حاصل از پوشش مزومتخلخل بهينه بر روي ميكروكرههاي پلياستايرن سنتز و خودآرايي شده بر روي زيرلايه شيشهاي به عنوان الگوي سخت و حذف همزمان الگوهاي سخت و نرم موجود در اين پوشش ميسر شد. اين پوشش، بازده فتوكاتاليستي بالاتري را در راستاي تخريب آلايندههاي متيلن آبي و سيپروفلوكساسين در مدت زمان تخريب 50 و 30 دقيقه كمتر از زمان تخريب اين آلايندهها توسط پوشش مزومتخلخل از خود نشان داد. در ادامه جهت بهبود بيشتر راندمان فعاليت فتوكاتاليستي دياكسيدتيتانيوم تحت نور خورشيد، از رويكرد ايجاد اتصال غيرهمگن ميان اين نيمهرسانا با مكسين به عنوان يك نيمهرساناي نوظهور با شكاف نواري باريك بهره گرفته شد. در اين راستا نانوذرات صفربعدي مكسين عاملدار شده، از طريق اچ شدن فاز مكس، پوسته پوسته شدن و شكستن صفحات دوبعدي مكسين سنتز شدند و در ادامه ايجاد اتصال غيرهمگن ميان اين دو نيمهرسانا از طريق پوششدهي غوطهوري تبخيري صورت پذيرفت. اين پوشش، راندمان فتوكاتاليستي بالايي را در راستاي تخريب آلايندههاي متيلن آبي و سيپروفلوكساسين در مدت زمان تخريب 50 و60 دقيقه كمتر از زمان تخريب اين آلايندهها پيش از ايجاد اتصال غيرهمگن از خود نشان داد.
چكيده انگليسي :
Controlling environmental pollution is one of the most critical concerns of the present century. Today, the presence of color and pharmaceutical pollutants in water sources is considered one of the prominent environmental threats, and various measures have been taken to address this issue. Among these measures, photocatalytic processes have been highlighted as one of the most promising and efficient approaches in this field. Among various photocatalytic materials, titanium dioxide nanoparticles have shown desirable photocatalytic performance. However, this photocatalytic material has limitations: its activity is limited to only about 4% of sunlight (UV), and its high rate of charge carrier recombination. The primary goal of this research is to propose solutions to overcome these limitations and enhance the photocatalytic efficiency of this semiconductor in the degradation of methylene blue and the antibiotic ciprofloxacin under the sunlight spectrum. To address the limitation of using TiO2 nanopowder, utilizing a coating made of these nanoparticles was chosen as the primary approach. A morphology change approach was adopted to create porosity in the coating to compensate for the reduced specific surface area of the nanoparticles after coating. To achieve this, various soft templates such as Triton X-100, polyester, Pluronic F127, and Pluronic P123 were introduced into the coating, increasing the number of active sites for photocatalytic reactions through thermal removal of these templating agents. The results showed that the specific surface area of these coatings increased by 28%, 11%, 58%, and 61%, respectively, compared to the dense coating. This resulted in a 27.9%, 36.5%, 93.9%, and 99.6% increase in the photocatalytic activity of these coatings compared to the dense coating. In parallel with this research phase, the surface sensitization of P25 nanoparticles was carried out by creating a bond between 4-hydroxybenzoic acid ligands and these nanoparticles. After various characterizations, these modified nanoparticles were used as a source of titanium dioxide in the optimal mesoporous coating. The presence of these nanoparticles in the coating with a high specific surface area, a shift in the absorption edge of titanium dioxide, and a 7.5% reduction in bandgap were achieved through the formation of chromophores, leading to a 120% increase in the photocatalytic efficiency of this coating compared to the dense coating. Moreover, to ensure the access of reactants and light to the active sites of the coating for photocatalytic reactions, an approach to creating macropores alongside the mesopores of the optimal coating was adopted. This hierarchical coating exhibited significantly higher photocatalytic efficiency in the degradation of methylene blue and ciprofloxacin, with a 50 and 30-minute shorter degradation time compared to the dense coating. Plus, to further improve the photocatalytic activity of titanium dioxide under sunlight, a heterojunction bond between this semiconductor and MXene, a newly emerging semiconductor with a narrow bandgap, was utilized. TiO2/Ti3C2 heterostructure exhibited significantly higher photocatalytic efficiency in the degradation of methylene blue and ciprofloxacin, with a 50 and 60-minute shorter degradation time than the dense coating before the heterojunction was established.
Key Words
