توصيفگر ها :
اكسيد تيتانيوم , تزين با اكسيد روي , اكسيداسيون الكتروليتي پلاسمائي , فوتوالكتروكاتاليستي , فوتوالكتروشيميائي , متيلن بلو
چكيده فارسي :
در اين پژوهش، پوشش اكسيد تيتانيوم (TiO2) داپ شده با تنگستن به روش اكسيداسيون الكتروليتي پلاسمائي (PEO) توليد و سپس به روش غوطه¬وري در سل اتانولي استات روي توسط اكسيد روي تزئين و عمليات حرارتي شد. ابتدا تركيب شيميايي پوشش از طريق داپ تنگستن بهينه شد. در مرحله بعد، پارامتر¬هاي مهم تزئين به روش سل¬ژل شامل غلظت محلول، زمان غوطه¬وري و دماي عمليات حرارتي بهينه شدند. پوشش¬هاي حاصل توسط مشاهدات ميكروسكوپي الكتروني روبشي، طيف سنجي توزيع انرژي، پراش پرتو ايكس، طيف¬سنجي مادون قرمز بازتاب كلي تضعيف شده و آناليز طيف¬سنجي بازتابي مشخصه يابي شدند. همچنين جهت بررسي خاصيت فوتوالكتروكاتاليستي، راندمان تخريب متيلن بلو توسط پوشش ها به مدت 3 ساعت به روش اسپكتروفتومتري مايع بدست آمد. نتايج نشان داد كه پوشش دوپ شده با تنگستن حاصل از 5 دقيقه پوشش دهي PEO كه با 3 دقيقه غوطه وري در سل 5/0 مولار و عمليات حرارتي در C400 توسط اكسيد روي تزئين شده بود، داراي بيشترين راندمان تخريب بود. نتايج نشان داد كه تزئين با ZnO منجر به افزايش شكاف باند TiO2 به eV 3 شد كه كاهش عملكرد فوتوكاتاليستي پوشش از 4/53 به 1/43 % را به همراه داشت. ليكن، راندمان تخريب الكتروكاتاليستي پوشش از 6/8 به 62 % افزايش يافت. در اين راستا، تخريب فوتوالكتروكاتاليستي پوشش با تزئين ZnO از 7/29 به 4/84 % ارتقاء يافت. به منظور ارزيابي رفتار فوتوالكتروشيميايي پوشش بهينه، از آزمون¬هاي پتانسيل مدار باز، اندازه¬گيري پتانسيواستاتيك جريان نوري، طيف سنجي امپدانس الكتروشيميايي و ولتامتري چرخه¬اي در شرايط تاريك و تحت تابش لامپ زنون استفاده شد. نتايج نشان دادند كه فرايند الكتروكاتاليستي با توليد وسيع راديكال¬هاي آزاد و همچنين افزايش عمر حامل¬هاي بار تحريك شده با نور بر افزايش شكاف باند نيمه¬هادي و متعاقباً كاهش جذب نور حاصل از تزئين پوشش با ZnO غلبه مي¬كند و لذا افزايش راندمان تخريب را در پي دارد. بر اساس نتايج، تخريب محلول حاوي رنگدانه تحت كنترل نفوذ واربورگ است و لايه خارجي پوشش PEO در واكنش¬هاي فوتوكاتاليستي شركت مي¬كند درحاليكه لايه داخلي آن، جائيكه ايجاد گسترده اتصال ناهمگون n-n بين TiO2 و ZnO رخ داده است، در واكنش¬هاي الكتروكاتاليستي مشاركت دارد. شايان ذكر است كه خاصيت تكرارپذيري پوشش تزئين شده تا شش سيكل در فرايند تخريب رنگدانه مورد ارزيابي قرار گرفت. نتايج نشان دهنده كاهش 5/22 % راندمان تخريب بود. اگرچه خاصيت فوتوكاتاليستي نمونه پس از تزئين TiO2 با ZnO كاهش يافت، اما اين خاصيت در جلوگيري از افت عملكرد فوتوالكتروكاتاليستي مؤثر بوده است.
چكيده انگليسي :
In this study, tungsten-doped titanium oxide (TiO2) coatings were produced via plasma electrolytic oxidation (PEO), decorated with zinc oxide (ZnO) through immersion in a zinc acetate dihydrate (ZAD) ethanol solution, and subsequently heat-treated. Initially, the chemical composition of the coating was optimized through tungsten doping. Next, critical parameters for the sol-gel decoration method, including solution concentration, immersion time, and heat treatment temperature, were optimized. The resulting coatings were characterized using scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), attenuated total reflectance infrared spectroscopy (ATR-IR), and diffuse reflectance spectroscopy (DRS). To investigate the photoelectrocatalytic properties, the methylene blue (MB) degradation efficiency of the coatings was measured over 3 hours using liquid spectrophotometry. The results indicated that the tungsten-doped coating, produced by 5 minutes of PEO, decorated by 3 minutes of immersion in a 0.5 M solution, and heat-treated at 400°C, exhibited the highest degradation efficiency. The ZnO decoration increased the TiO2 band gap to 3 eV, reducing the photocatalytic efficiency from 53.4% to 43.1%, but increasing the electrocatalytic degradation efficiency from 8.6% to 62%. Consequently, the photoelectrocatalytic degradation efficiency improved from 29.7% to 84.4%. To evaluate the photoelectrochemical behavior of the optimized coating, open circuit potential (OCP) tests, potentiostatic photocurrent measurements, electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and cyclic voltammetry (CV) were conducted under dark conditions and xenon lamp illumination. The results showed that the electrocatalytic process, with extensive production of free radicals and an increased lifespan of light-excited charge carriers, overcame the reduction in visible light absorption due to the increased band gap, resulting in improved degradation efficiency. The pigment degradation in solution was found to be controlled by Warburg diffusion, with the outer layer of the PEO coating participating in photocatalytic reactions and the inner layer, where extensive n-n heterojunction formation between TiO2 and ZnO occurred, participating in electrocatalytic reactions. The repeatability of the decorated coating was evaluated over six cycles in the dye degradation process, showing a 22.5% reduction in degradation efficiency. Despite the reduced photocatalytic property of TiO2 after ZnO decoration, it effectively prevented a decline in photoelectrocatalytic performance.