خاصیت فتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم چیست و چه کاربردی دارد؟
خاصیت فتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم در دهه های اخیر از زمان کشف فتولیز آب توسط الکترودهای دی اکسید تیتانیوم در سال ۱۹۷۲ به طور گسترده مورد مطالعه قرار گرفته است. دی اکسید تیتانیوم دارای سه پلی مورف کریستالی اصلی در طبیعت است. آناتاز، روتیل و بروکیت و روتیل به عنوان رایج ترین اشکال دی اکسید تیتانیوم است. روش های مختلفی برای ارزیابی فعالیت فوتوکاتالیستی یک ماده وجود دارد.
متداول ترین روش مورد استفاده، تجزیه رنگ در محلول آبی تحت نور اشعه ماورا بنفش به دلیل سادگی آن است. در این شرایط از سرعت تجزیه یک رنگ آلی مناسب به عنوان معیار فعالیت استفاده می شود. خواص فیزیکی مانند اندازه ذرات و مساحت سطح، ناحیه موثری را تعیین می کند که قبل از تخریب، رنگ را جذب می کند.
مکانیسم های فیزیکی درگیر در چنین روش های مبتنی بر آبی با واکنش های فاز گاز متفاوت است. تکنیک های پیشرفته تر از طیف سنج های جرمی برای ارزیابی فعالیت فوتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم در فاز گاز استفاده می کنند. یک فوتوکاتالیست برای واکنش های ناهمگن در فاز گازی موثر است که در ایجاد رادیکال ها در نتیجه یک فوتون جذب شده کارآمد باشد. تکنیک های پیشرفته تر از طیف سنج های جرمی برای ارزیابی فعالیت فوتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم در فاز گاز استفاده می کنند. در ادامه مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک توضیحات بیشتری در این رابطه ارائه می گردد لطفا همراه ما باشید.
اهمیت خاصیت فتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم چیست
گزارش های اخیر رسانه ها فوتوکاتالیز را «مهم ترین اختراع قرن بیست و یکم» نامیده اند. فوتوکاتالیست یک عامل پوشش حاوی دی اکسید تیتانیوم به عنوان جزء فعال است. یک واکنش شیمیایی کاهش اکسیداسیون زمانی رخ می دهد که نور با فوتوکاتالیست تماس پیدا می کند. هنگامی که فوتوکاتالیست روی سطوح اعمال می شود، هوا را تصفیه می کند تا از آلودگی سطح جلوگیری کند. علاوه بر این، این فناوری به عنوان یک کاتالیزور انقلابی برای حفاظت از محیط زیست عمل می کند.
به عنوان مثال، استفاده از یک فوتوکاتالیست برای پوشش دیوار بیرونی ساختمان، امکان تجزیه گاز خروجی (NOx) را فراهم می کند. همچنین از جمع شدن کثیفی ناشی از روان آب باران جلوگیری می کند. با پوشاندن دیوارهای داخلی با چنین عاملی، مواد خطرناک (VOC) و میکروب های مختلف (آنفولانزا، کپک، E.coli، استافیلوکوکوس اورئوس، MRSA و غیره) که باعث «سندرم ساختمان بیمار» می شوند از بین رفته و بی ضرر می شوند. در واقع، فوتوکاتالیست های بسیار مهمی در محیط نزدیک ما یافت می شوند. فرآیند فتوسنتز مورد استفاده گیاهان نیز نمونه ای از واکنش فوتوکاتالیستی است.
عملکرد اصلی فتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم
تجزیه
دی اکسید تیتانیوم یک نیمه هادی است که در تماس با نور، الکترون ها و حفره های الکترونی تولید می کند. سپس با آب و اکسیژن واکنش می دهد تا رادیکال های هیدروکسل (•OH) و اکسیژن فعال ایجاد کند که امکان تخریب و تجزیه مواد مضر را فراهم می کند. این عمل منجر به یک اثر خود تمیز کنندگی موثر می شود.
فوق العاده آب دوست بودن
هنگامی که نور و آب با یک سطح پوشش داده شده با دی اکسید تیتانیوم تماس پیدا می کنند، سطح با مواد هیدروفیل پوشیده می شود. این فرآیند فوق العاده آبدوست، کثیفی موجود بر روی سطح و آب را از بین می برد تا سطح را از روغن، گرد و غبار و سایر آلاینده های مشابه شستشو دهد. این پدیده زمانی دیده می شود که باران یا آب دیگری با سطح تماس پیدا می کند و در نتیجه خودبخود تمیز می شود.
فتوکاتالیست چیست
فوتوکاتالیست مواد مضر و آلودگی های نزدیک به سطح پوشش داده شده را با قدرت نور خورشید پاک و تمیز می کند. این آلودگی ها مانند بوی بد، خاک قطران، باکتری ها، میکروب های مختلف، باسیل کپک، ویروس و مواد شیمیایی هستند و فوتوکاتالیست تمام این آلودگی ها را از بین می برد.
فوتوکاتالیست ماده ای است که با تابش نور، اثرات «قدرت تجزیه» و «خواص آب دوستی» را از خود نشان می دهد. مواد مختلفی وجود دارند که قابلیت فوتوکاتالیستی را از خود نشان می دهند و گفته می شود که دی اکسید تیتانیوم موثرترین آنهاست.
دی اکسید تیتانیوم به خودی خود بی ضرر است و برای مقاصد مختلف از جمله در لوازم آرایشی و بهداشتی، محصولات غذایی استفاده می شود. سیستم تجزیه فیلم فوتوکاتالیست پایدار است. طول عمر فیلم پوشش به خودی خود، از لحاظ نظری، عملکردی نیمه دائمی دارد.
دی اکسید تیتانیوم چیست
دی اکسید تیتانیوم یک پودر سفید (ذرات فوق ریز) است که از دیرباز به عنوان رنگدانه سفید استفاده می شده است. از این ترکیب شیمیایی برای مصارف مختلف از جمله در پوشش ها، مواد دندانپزشکی، خمیر دندان و لوازم آرایشی استفاده می شود. همچنین به عنوان یک افزودنی غذایی برای رنگ آمیزی در شکلات سفید، شیرینی ها و آدامس ها استفاده می شود، زیرا بی مزه، بی بو و برای انسان بی ضرر است.
فتوکاتالیست چگونه کار می کند
الکترون ها با اکسیژن ترکیب می شوند
هنگامی که دی اکسید تیتانیوم از نور انرژی دریافت می کند، الکترون ها از سطح آزاد می شوند. الکترون های آزاد شده با اکسیژن موجود در هوا ترکیب می شوند و «O-۲» (آنیون سوپراکسید) ایجاد می کنند.
سطح از رطوبت هوا الکترون می گیرد و سپس به حالت اولیه خود باز می گردد. سطحی که الکترون ها را رها می کند، دارای بار الکتریکی مثبت (+) می شود و الکترون ها را از رطوبت هوا می گیرد و سپس به حالت اولیه خود باز می گردد. از طرف دیگر، رطوبتی که الکترون ها را از دست می دهد به رادیکال هیدروکسیل (•OH) تبدیل می شود.
تجزیه و رها سازی
آنیون سوپراکسید و رادیکال هیدروکسیل که منجر به فرآیند انتقال این الکترون ها می شوند، می تواند تجزیه اکسیداتیو قوی را ایجاد کنند. این فرآیند باعث تجزیه ترکیبات آلی مانند روغن ایجاد کثیفی و چسبندگی، باکتری ها، گازهای شیمیایی مضر، ویروس ها و کپک ها می شود.
مزایایی خاصیت فتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم
مزایای زیست محیطی پوشش های فوتوکاتالیستی مانند دی اکسید تیتانیوم (TiO۲) به دلیل کاربرد بالقوه آن ها برای تجزیه طیف گسترده ای از مواد و آلودگی های موجود در هوا مناسب هستند. سیستم های پوشش فعال فوتوکاتالیستی قادر به کاهش آلودگی های محیطی و پاکسازی هوا هستند.
اهمیت تکنولوژیکی و هم اقتصادی فوتوکاتالیز در دهه گذشته به طور قابل توجهی افزایش یافته است. بهبود در عملکرد به شدت با پیشرفت در فناوری نانو مرتبط است. کاربرد های متنوعی از سطوح ضد مه، ضد میکروبی و خود تمیز شونده گرفته تا تصفیه آب و هوا و تولید هیدروژن ناشی از نور خورشید توسعه یافته اند و بسیاری دیگر از این موارد راه خود را به محصولات تجاری باز کرده اند.
استریلیزاسیون / ضد میکروبی
فوتوکاتالیست دی اکسید تیتانیوم نه تنها سلول های باکتری را از بین می برد، بلکه خود سلول را نیز تجزیه می کند. مشخص شده است که فوتوکاتالیست دی اکسید تیتانیوم از هر عامل ضد باکتری دیگری موثرتر است، زیرا واکنش فوتوکاتالیستی حتی زمانی که سلول های روی سطح را می پوشانند و باکتری‌ها به طور فعال در حال تکثیر هستند، عمل می کند.
انتظار می رود اندوتوکسین تولید شده در هنگام مرگ سلول نیز توسط عمل فوتوکاتالیستی تجزیه شود. دی اکسید تیتانیوم خراب نمی شود و اثر ضد باکتریایی طولانی مدتی را از خود نشان می دهد. به طور کلی، ضد عفونی با دی اکسید تیتانیوم سه برابر قوی تر از کلر و ۱.۵ برابر قوی تر از ازن است.
اثر خوشبو کننده
در کاربرد های خوشبو کننده، رادیکال های هیدروکسیل با از بین بردن پیوندهای مولکولی، تجزیه هر گونه ترکیبات آلی فرار یا VOC را تسریع می کنند. این عمل به ترکیب گازهای آلی برای تشکیل یک مولکول منفرد کمک می کند که برای انسان مضر نیست. بنابراین دی اکسید تیتانیوم کارایی تمیز کردن هوا را افزایش می دهد. برخی از نمونه های مولکول های بو عبارتند از: بوی تنباکو، فرمالدئید، دی اکسید نیتروژن، بوی ادرار و مدفوع، بنزین و بسیاری دیگر از مولکول‌های هیدروکربن موجود در جو.
دستگاه تصفیه هوا با استفاده از فتوکاتالیست دی اکسید تیتانیوم می تواند از ایجاد خاک، گرده ها، باکتری ها، ویروس ها و گازهای مضر جلوگیری کند و با فیلتر کردن ۹۹.۹ درصد از آلودگی ها به پاکیزگی هوا کمک می کند.
اثر تصفیه هوا
واکنش فتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم را می توان برای کاهش یا حذف ترکیبات آلوده در هوا مانند NOx، دود سیگار و همچنین ترکیبات فرار ناشی از مصالح ساختمانی مختلف به کار برد. همچنین، واکنش پذیری فتوکاتالیستی بالای این ترکیب شیمیایی را می توان برای محافظت از لامپ ها و دیوارها در تونل سازی و همچنین برای جلوگیری از کثیف شدن و تاریک شدن چادرهای سفید اعمال کرد.
خود تمیز کردن
بیشتر دیوارهای بیرونی ساختمان ها از دود اگزوز خودروها که حاوی اجزای روغنی هستند، آلوده می شوند. هنگامی که مصالح ساختمانی اصلی با فتوکاتالیست دی اکسید تیتانیوم پوشانده می شوند، یک لایه محافظ تیتانیوم ساختمان را تبدیل به یک آنتی استاتیک، فوق اکسیداتیو و آبدوست می کند. هیدروکربن حاصل از اگزوز خودرو اکسید می شود و خاک روی دیوارها با بارندگی از بین می رود و نمای بیرونی ساختمان را همیشه تمیز نگه می دارد.
کاربردهای خاصیت فتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم
هنگامی که نور با دی اکسید تیتانیوم برخورد می کند، یک واکنش شیمیایی در ناحیه محلی رخ می دهد که باعث تجزیه سموم آلی، بوها و سایر مواد می شود. کاربردهای این فوتوکاتالیست عبارتند از:
بهبود محیط زیست
دی اکسید تیتانیوم به حذف آلاینده ها از جو کمک می کند. علاوه بر این، با دی اکسید تیتانیوم می توان ترکیبات SOx، که یک ماده معدنی مضر برای جو است را از بین برد.
کاربردهای دارویی
فتوکاتالیست دی اکسید تیتانیوم به دلیل توانایی آن در آسیب رساندن به غشای سلولی، جامد کردن پروتئین های ویروس، کنترل فعال شدن ویروس و جذب ذرات عفونی اغلب شامل استریلیزاسیون و مهار ویروس می شود. نشان داده شده است که این ترکیب شیمیایی ۹۹.۹۷ درصد از میکروارگانیسم ها را از بین می برد.
کلی فرم، باسیل چرکی سبز، کپک، قارچ چرکی و سایر باکتری ها نمونه هایی از عواملی هستند که دی اکسید تیتانیوم می تواند آنها را از بین ببرد.
تصفیه فاضلاب
نانوذرات دی اکسید تیتانیوم برای درمان فاضلاب ایده آل هستند. این ذرات به دلیل هزینه کم، مقاومت در برابر خوردگی و ثبات کلی که دارند در صنعت تصفیه فاضلاب بسیار استفاده می شوند. آنها می توانند به عنوان مواد بسته بندی استخراج فاز جامد (SPE) برای پیش تغلیظ و استخراج فلزات سنگین از آب یا برای اصلاح آب های سطحی استفاده شوند.
دیازینون یک حشره کش ارگانوفسفره است که در آب های زیرزمینی یافت می شود و به عنوان یک سم نسبتا مضر طبقه بندی می شود. نشان داده شده است که نور ماوراء بنفش و دی اکسید تیتانیوم (TiO ۲) باعث حذف دیازینون از آب های زیر زمینی شده اند. علاوه بر این، نانوذرات دی اکسید تیتانیوم نقش حیاتی در حذف مواد شیمیایی بیگانه از فاضلاب مانند آفت کش‌ها، رنگ‌ها و مواد خطرناک را دارند.
فناوری تصفیه آب فوتوکاتالیستی با استفاده از پرتوهای فرابنفش خورشید و فوتوکاتالیست دی اکسید تیتانیوم کار می کند. دی اکسید تیتانیوم با مواد مضر موجود در آب واکنش داده و آب را سالم و بی ضرر می کند. در مقایسه با کلر زنی یا تصفیه شیمیایی، تاثیر دی اکسید تیتانیوم بر محیط زیست بسیار کم است.
دی اکسید تیتانیوم (TiO۲) یکی از شناخته شده ترین فتوکاتالیست های برتر است. هنگامی که در آب قرار می گیرد و در معرض اشعه ماوراء بنفش قرار می گیرد، انرژی آن به الکترون های ذرات دی اکسید تیتانیوم منتقل می شود و الکترون های پرانرژی (تحریک الکترونی) روی سطح ذرات تولید می شود. این ذرات علاوه بر تصفیه فلزات سمی، آلودگی ها را نیز از بین می برند.
ترکیباتی مانند آرسنیک و کروم شش ظرفیتی، الکترون های پرانرژی هستند که با اکسیژن موجود در آب واکنش می دهند. این ترکیبات اکسیژن فعال را تولید کرده و باکتری ها و مواد آلی را تصفیه می کنند. هنگامی که سطح ذرات فوتوکاتالیستی که الکترون‌ها از آن خارج شده اند در تماس با آب قرار می گیرد، اکسیژن واکنش پذیر نیز تولید می شود که به کارایی تصفیه آب بسیار کمک می کند.
کاربردهای کشاورزی فتوکاتالیست دی اکسید تیتانیوم
نشان داده شده است که نانوذرات دی اکسید تیتانیوم باعث افزایش سرعت فتوسنتز در محصولات کشاورزی مانند اسفناج می شود. در گونه های دیگر، رنگدانه های بیشتری در طول مراحل تولید مثل گیاه شناسایی شده است که منجر به افزایش تولید محصول کی شوند. هنگامی که نانوذرات دی اکسید تیتانیوم به گوجه فرنگی به عنوان یک آئروسل اعمال می شود، این ترکیب شیمیایی باعث افزایش فتوسنتز و لیکوپن موجود در محصول می شود. نانوذرات دی اکسید تیتانیوم همچنین به عنوان یک اصلاح کننده خاک نیز استفاده می شوند.
کاربردهای دی اکسید تیتانیوم در صنعت پزشکی
دی اکسید تیتانیوم اخیرا کاربردهای مختلفی در صنعت پزشکی ایجاد کرده است. برخی از آن ها عبارتند از:
سیستم های دارورسانی برای درمان سرطان
درمان سرطان با شیمی درمانی سنتی به دلیل ماهیت سمی این ترکیبات می تواند اثرات فاجعه باری بر سلول ها داشته باشد. در نتیجه، تمرکز بر روی چگونگی استفاده از فناوری نانو برای تشخیص و درمان سرطان بسیار مورد توجه قرار گرفته است. در حال حاضر، مهم ترین چالشی که باید بر آن غلبه کرد کاهش عوارض جانبی سیستم های دارویی مبتنی بر فناوری نانو است.
برخی از استراتژی ها نتایج امیدوارکننده ای را نشان داده اند که شامل کنترل مقدار داروهای آزاد شده به سلول یا هدف قرار دادن سلول های خاص و رساندن دارو به آن ها می شود.
دستگاه های آنتی باکتریال برای عفونت ها
بسیاری از مطالعات نشان داده اند که دی اکسید تیتانیوم دارای فعالیت بازدارنده به دلیل عملکرد فوتوکاتالیستی است که عمدتا به دلیل تولید بیش از حد محصولات اکسیژن بسیار واکنش پذیر (ROS) مانندO ۲ ، OH و H۲O۲ است. تیتانیوم به دلیل خواص شیمیایی و مکانیکی آن معمولا در ایمپلنت های دندانی استفاده می شود. موفقیت طولانی مدت ایمپلنت دندان به کنترل عفونت و دستیابی به فناوری جدید برای کاشت ایمپلنت در استخوان بستگی دارد.
چالش های آینده خاصیت فتوکاتالیستی دی اکسید تیتانیوم
در سال های اخیر، استفاده اولیه از نانوساختارهای دی اکسید تیتانیوم در پاکسازی محیط زیست و ایجاد هیدروژن بوده است. استفاده از این ذرات نانوساختار برای مشکلاتی که در زندگی واقعی با آن روبرو هستیم، آسان نیست و محدودیت هایی برای این کار وجود دارد.
یکی از بزرگترین مشکلاتی که این نانوساختارها با آن مواجه هستند، کارایی آنهاست. در حالی که سایر مسائل حول محور حساسیت و سازگاری می چرخد. با این حال، تحقیقات با اصلاح مسیرهای مصنوعی به این حساسیت ها در مناطق مرئی و مادون قرمز پرداخته است. امیدواریم از مطالعه این مقاله لذت برده باشید.
