پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی مواد گرایش سرامیک (اثر افزودنیهای همزمان Nb و V بر خواص ساختاری و نوری لایه نازک اکسید تی
اختصاصی از یارا فایل پایان نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی مواد گرایش سرامیک (اثر افزودنیهای همزمان Nb و V بر خواص ساختاری و نوری لایه نازک اکسید تیتانیم) دانلود با لینک مستقیم و پرسرعت .
این فایل در قالب ورد و قابل ویرایش در 110 صفحه می باشد.
این رساله توسط تیم ما تهیه شده و در هیچ سایتی یافت نمی شود.
در این تحقیق پوششهای نانو ساختار TiO2 به همراه افزودنیهای همزمان V و Nb در پنج حالت مختلف در مقادیر متفاوت (15 و 10 و 5 درصد مولی Nb و 15 و 10 و 5 درصد مولی V) از طریق روش سنتز سل – ژل با استفاده از کلرید نئوبیوم به عنوان پیش مادهی Nb، متا آمونیوموانادات به عنوان پیش ماده وانادیم و تیتانیم تترا ایزوپروپکساید (TTIP) به عنوان پیش ماده تیتانیم بر روی زیرلایه شیشهای اعمال شد. (دمای کلسیناسیون برای نمونههای دوپ همزمان در محدودهC °475 و 575 و 675 بودند.) برای بررسی و آنالیز لایههای اعمال شده، آنالیز XRD برای ارزیابی فازهای کریستالی، دستگاه SEM و TEM برای بررسی ریزساختار و مورفولوژی، دستگاه EDX برای آنالیز عنصری سطح پوشش، UV–vis Spectroscopy برای بررسی خواص نوری و فتوکاتالیستی لایههای اعمال شده مورد استفاده قرار گرفت. نتایج XRD نشان میدهد که اضافه کردن ناخالصی در کریستالیته و اندازه ذرات TiO2 تاثیر زیادی دارد. متوسط اندازه کریستالیت نمونهها با استفاده از فرمول شرر محاسبه شد. همچنین شدت فازها و میزان سطح ویژه کریستالیتها تعیین گردید. دوپ همزمان V و Nb در شبکه تیتانیا از استحاله فازی آناتاز به روتایل جلوگیری کرده است (استثنا نمونه 4). نتایج نشان دادند که بهترین خواص فتوکاتالیستی پوششهای نانو ساختار با دوپ همزمان V و Nb تحت تابش نور مرئی مربوط به پوشش T-5%Nb-15%V میباشد. طیف جذب تیتانیای دوپ شده با V و Nb دارای شیفت قابل ملاحظهای به سمت نور مرئی بود که منجر به کاهش بسیار شدید باند ممنوعه (eV 58/2) گردیده است. این امر را میتوان به ایجاد یک تراز جدید در وسط باند ممنوعه تیتانیا نسبت داد. علاوه بر این دوپ همزمان V و Nb میتواند سبب کند شدن فرایند بازترکیب الکترون – حفره در تیتانیا گردد.
کلمات کلیدی: سل – ژل، پوششدهی غوطه وری، لایه نازک تیتانیا، اکسید نئوبیوم، اکسید وانادیم، خواص نوری، قابلیت فتوکاتالیستی.
فهرست مطالب
عنوان صفحه
فصل اول:مقدمه................................... 1
فصل دوم : مروری بر منابع مطالعاتی............ 7
2-1- معرفی لایه نازک............................. 8
2-1-1- مفهوم لایه های نازک................... 8
2-1-2- فیزیک لایه های نازک.................... 9
2-2- اکسید تیتانیم............................. 11
2-2-1- خواص و ساختار......................... 11
2-2-2- استحاله فازی.......................... 13
2-2-3- طیف جذب نوری......................... 15
2-2-4- کاربرد.............................. 16
2-2-5- تیتانیا، اعجازی در میان مواد فتوکاتالیست 16
2-3- پدیده فتوکاتالیستی تیتانیا.............. 17
2-3-1- اهمیت فتوکاتالیستها................. 17
2-3-2- فتوکاتالیست چیست..................... 19
2-3-3- تاریخچه فتوکاتالیستها................ 20
2-4- ویژگیهای نیمههادیها...................... 22
2-4-1- نوارهای انرژی......................... 22
2-4-2- حاملهای بار در نیمههادیها........... 23
2-4-3- انواع نیمههادیها..................... 24
2-4-3-1- نیمههادیهای ذاتی............. 24
2-4-3-2 نیمههادیهای غیرذاتی........... 25
2-5- خاصیت و مکانیسم فتوکاتالیستی تیتانیا.. 26
2-6- انواع، مقایسه و خصوصیات فتوکاتالیستیهای دیگر با تیتانیا................................... 28
2-7- اثرات اندازه کوانتومی................ 30
2-8- ترکیب مجدد جفتهای الکترون- حفره...... 31
2-9- نقش الکترونها و حفرههای تولید شده در اثر پرتوتابی در فتوکاتالیست............................. 32
2-10- راههای بهبود فعالیت فتوکاتالیستی تیتانیا 33
2-10-1- اختلاط یا دوپ کردن کاتیونهای فلزی در ساختار تیتانیا.............................................. 33
2-10-2- بهینه کردن ساختار کریستالی............ 37
2-10-3- بمباران یونی.......................... 38
2-10-4- دوپ کردن یونهای غیرفلزی............... 38
2-10-5- اثر ضخامت............................. 39
2-10-6- اصلاح شیمیایی سطح...................... 41
2-10-6-1- حساسسازی........................ 41
2-10-6-2- جفت شدن دو نیمههادی............. 42
2-10-7- اثر شرایط کلسیناسیون........... 43
2-11- نانوفتوکاتالیستها....................... 45
2-12- مزایای استفاده از فوتوکاتالیست در واکنشها 45
2-13- کاربردهای فتوکاتالیستی تیتانیا........ 46
2-13-1- تجزیه یا شکاف آب.................... 48
2-13-2- تخریب آلودگیها و خاصیت ضد باکتری... 48
2-13-3- تصفیه خاک............................ 50
2-13-4- تصفیه هوا............................ 50
2-13-5- تصفیه آب و پسابها................... 52
2-13-6- استفاده در تهیه ترکیبهای آلی....... 53
2-13-7- فتوولتاییک........................... 54
2-14- کاربردها و مکانیزم خودتمیزشوندگی تیتانیا 55
2-14-1- خواص پوششهای آبگریز................ 55
2-14-2- پوششهای فوق آبدوست.................... 56
2-15- خاصیت خودتمیزشوندگی................. 58
2-15-1- خاصیت ضد مه گرفتگی.................... 59
2-15-4- رنگهای فتوکاتالیستی................... 60
2-16- انواع روشهای پوششدهی لایه نازک ذرات تیتانیا.. 60
2-16-1- فرآیند سل – ژل........................ 61
2-16-2- اصول فرآیند سل – ژل................... 62
2-16-3- پوششدهی با استفاده از فرآیند سل-ژل غوطه وری 66
2-16-4- مقایسه دو تکنیک غوطه وری و چرخشی...... 66
2-16-5- مزایا و محدودیت های سنتز سل – ژل...... 68
فصل سوم: فعالیت آزمایشگاهی و روش کار....... 70
3-1- مواد اولیه مورد مصرف و خواص آنها . 71
3-2- دستگاهها و تجهیزات فرآیندی مورد استفاده 73
3-3- روش کار.......................... 73
3-3-1- فرآیند پوششدهی............. 73
3-3- 1-1- تهیه سل زرد تیتانیا... 73
3-3-1-2- تهیه سل نئوبیوم و وانادیم 74
3-3-1-3- کد گذاری نمونهها ... 75
3-3-1-5- تهیه پوشش تیتانیا بر روی زیرلایههای شیشهای.................................................. 75
3-4- روشهای بررسی و مشخصه یابی خواص پوششها 76
3-4-1- بررسی فازهای کریستالی.......... 76
3-4-2- ارزیابی ریزساختار.............. 78
3-4-3- بررسی خواص نوری و محاسبه انرژی پهنای نوار ممنوعه........................................... 78
3-4-4- بررسی فعالیت فتوکاتالیستی پوششها 79
3-4-4-1- متیلن بلو.............. 79
3-4-5- نحوه انجام آزمایش فتوکاتالیستی. 80
فصل چهارم: نتایج و بحث........................ 82
4-1- نتایج اثر افزودنیها بر خواص پوشش تیتانیا 83
4-1-1- تاثیردوپ همزمان V و Nb بر ساختار کریستالی 83
4-1-1-1- - نتایج و تحلیل آنالیز فازی پوشش T- 5% Nb – 5%V .......................................... 83
4-1-1-2- نتایج و تحلیل آنالیز فازی پوشش T- 10% Nb – 10%V 85
4-1-1-3- نتایج و تحلیل آنالیز فازی پوشش T- 15% Nb – 15%V 86
4-1-1-4- نتایج و تحلیل آنالیز فازی پوشش T- 5% Nb –15%V 87
4-1-1-5- نتایج و تحلیل آنالیز فازی پوشش T- 15% Nb –5%V 88
4-1-2- نتایج و تحلیل آنالیز UV-Vis........ 91
4-1-3- بررسی تاثیر دمای کلسیناسیون بر فازهای کریستالی 93
4-1-4- بررسی تاثیر دمای کلسیناسیون روی خواص فتوکاتالیستی..................................... 95
4-1-5- بررسی بررسی طیف UV-Vis و محاسبه باند ممنوعه 96
4-1-6- تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی. 99
4-1-7- نتایج حاصل از آنالیز عنصری EDX.. 102
فصل پنجم: نتیجه گیری نهایی و پیشنهادها.... 104
5-1- نتیجه گیری نهایی..................... 105
5-2- پیشنهادها و کارهای آینده.......... 105
منابع........................................... 107
فهرست شکلها
عنوان صفحه
شکل 2-1: شماتیک ساختار لایه و زیرلایه................ 9
شکل 2-2: شماتیک انواع فرآیند رشد.................. 10
شکل 2-3: نحوه آرایش هشت وجهی های اکسید تیتانیم.... 12
شکل 2-4: ساختار کریستالی روتایل و آناتاز.......... 13
شکل 2-5: دیاگرام فازی غیر تعادلی دما- فشار برای تیتانیای خالص 14
شکل 2-6: طیف بازتاب نوری ساختارهای روتایل و آناتاز 15
شکل 2-7: شماتیکی از فرآیند فتوکاتالیستی فاز آناتاز تیتانیا 20
شکل 2-8: شکاف انرژی در مواد رسانا، نیمه رسانا و نارسانا 23
شکل 2-9: نیمه هادی نوع n و نیمه هادی نوع p......... 26
شکل 2-10: مسیرهای مختلف عملکرد یک فتوکاتالیست در اثر جذب نور 27
شکل 2-11: موقعیت لبه باند چندین نیمههادی.......... 29
شکل 2-12: طیف XRD برای الف) Tio2-%0.3 La ، ب)Pt Tio2-%0.3 ، ج) Tio2-%0.3 Ru با کلسیناسیون در دمای C ° 700 – 400 و بدون عملیات حرارتی.. 34
شکل 2-13: تصاویر TEM مربوط به (a): با و(b) : بدون دوپ شدن همزمان 35
شکل 2-14: تجزیه فنول در اثر تابش در حضور نانو پودر تیتانیای دوپ شده و نشده............................................ 36
شکل 2-15: مکانیزم فتوکاتالیست: hυ1: تیتانیای خالص. hυ2: تیتانیای دوپ شده بافلز. hυ3: تیتانیای دوپ شده با غیرفلزات....... 36
شکل 2-16: تصاویر SEM از مقاطع عرضی نمونه پوشش تیتانیایی بر روی فولاد زنگ نزن به ضخامتهای: A)250 و B) 940 و C) 100 و D) 198 نانو متر 41
شکل 2-17: انتقال بار در نیمهرسانای جفت شدهی کادمیوم سولفید- اکسید تیتانیم........................................... 43
شکل 2-18: اثر شرایط کلسیناسیون بر شدت پیک فاز آناتاز 44
شکل 2-19: شماتیکی از کاربردهای مهم فتوکاتالیستی تیتانیا 46
شکل 2-20: اثر خودتمیزکنندگی بر آجر دیوار.......... 47
شکل 2-21: مقایسه اثر ضد بخار شیشه در آینهی اتومبیل 47
شکل 2-22: تصفیه خاک آلوده با استفاده از نور خورشید و فتوکاتالیست 50
شکل 2-23: تبدیل آلودگی‌های آلی به آب و دی اکسید کربن 52
شکل 2-24: تشکیل پوشش آبگریز بر روی برگ گل نیلوفر آبی 56
شکل 2-25: ایجاد سطح فوق آبدوست.................... 57
شکل 2-26: خاصیت آبدوستی سطح تیتانیا و تشکیل لایه یکنواخت آب 57
شکل 2-27: استفاده از خصلت خودتمیزشوندگی برای تمیز کردن نمای خارجی ساختمان‌ها......................................... 59
شکل 2-28: استفاده از خاصیت ضدبخارگرفتگی تیتانیا در آینه خودرو منحنی جاده.............................................. 59
شکل 2-29: مراحل مختلف فرآیند سل-ژل برای سنتز مواد سرامیکی 65
شکل 2-30: مراحل فرآیند روش غوطهوری................ 66
شکل 2-31: عکس SEM لایه نازک اکسیدروی ساخته شده با تکنیکهای پوششدهی الف) غوطهوری و ب) چرخشی در دمای °C 550............ 67
شکل 2-32: طیف نوری پوششهای لایه نازک ساخته شده با تکنیک الف: غوطهوری. ب: چرخشی در دماهای مختلف (a=350 °C, b= 450 °C , c= 550 °C)..... 68
شکل 3-1: فرآیند تهیه سل زرد رنگ تیتانیا........... 74
شکل 3-2: فرآیند تهیه سل و پوششدهی با درصدهای مولی مختلف V و Nb 76
شکل 3-3: ساختار شیمیایی آلاینده رنگی متیلن بلو..... 80
شکل 3-4: نمایی از فرآیند تابش UV به فیلم تیتانیا در محلول MB 81
شکل 4-1: طیف XRD از پوشش تیتانیا بدون دوپنت و پوشش به همراه دوپ همزمان V و Nb (T- 5% Nb – 5%V) کلسینه شده در دمای C ° 475 بر روی زیرلایه شیشهای............................................ 84
شکل 4-2: طیف XRD از پوشش تیتانیا به همراه دوپ همزمان V و Nb (T-10% Nb – 10%V) کلسینه شده در دمای C ° 475 بر روی زیرلایه شیشهای 85
شکل 4-3: طیف XRD از پوشش تیتانیا به همراه دوپ همزمان V و Nb (T- 15% Nb – 15%V) کلسینه شده در دمای C ° 475 بر روی زیرلایه شیشهای 87
شکل 4-4: طیف XRD از پوشش تیتانیا به همراه دوپ همزمان V و Nb (T- 5% Nb – 15%V) کلسینه شده در دمای C ° 475 بر روی زیرلایه شیشهای 88
شکل 4-5: طیف XRD از پوشش تیتانیا به همراه دوپ همزمان V و Nb (T- 15% Nb – 5%V) کلسینه شده در دمای C ° 475 بر روی زیرلایه شیشهای 90
شکل 4-6: تجزیه فتوکاتالیستی MB در حضور پوششهای تیتانیا دوپ شده با درصدهای مختلف افزودنیهای V و Nb................... 92
شکل 4-7: الگوی XRD تیتانیای دوپ شده با نئوبیوم و وانادیم) TNV4) – کلسینه شده در دماهای الف) C ° 475. ب) C ° 575. ج)C ° 675 94
شکل 4-8: تجزیه فتوکاتالیستی MB در حضور پودر تیتانیا دوپ شده با افزودنیهای نئوبیوم و وانادیم در دماهای مختلف...... 96
شکل 4-9: طیف جذب UV-Vis الف) پوشش تیتانیای خالص و ب) پوشش تیتانیا دوپ شده با نئوبیوم و وانادیم.......................... 97
شکل 4-10: تصاویر از تیتانیا خالص کلسینه شده در دمای C ° 475 به مدت h1 الف)تصویر TEM از پودر. ب)تصویر SEM از پوشش....... 101
شکل 4-11: تصاویر SEM از سطح مقطع پوششهای حالت TNV4 کلسیته شده در دماهای: الف) 475 ب) 575 ج) C ° 675................. 101
شکل 4-12: تصاویر SEM از مقطع عرضی پوششهای حالت TNV4 کلسینه شده در دماهای: الف) 575. ب) C ° 675....................... 102
شکل 4-13: : طیف EDX الف) لایه پوشش تیتانیا و ب) تیتانیای دوپ شده با V و Nb............................................. 103
شکل 4-14: درصد عناصر موجود در پوشش نمونه حالت TNV4 ، برگرفته از طیف EDX تیتانیای دوپ شده با V و Nb................... 104
فهرست جدولها
عنوان صفحه
جدول 2-1: مشخصات ساختاری و عمومی فازهای معمول اکسید تیتانیم 13
جدول 2-2: شکاف انرژی نیمههادیهای مورد استفاده در مصارف فتوکاتالیستی.................................................. 29
جدول 2-3: مقایسه فرآیند فتوکاتالیستی با دیگر فرآیندها برای از بین بردن انواع آلودگیها و میکروبها.................... 49
جدول 3-1: فهرست مواد اولیه مورد مصرف.............. 72
جدول 3-2: کد گذاری نمونهها........................ 75
جدول 3-3: درصد عناصر در نمونههای دو جزئی.......... 75
جدول 3-4: مشخصات آلاینده رنگی متیلن بلو............ 79
جدول 4-1: مشخصات پوشش تیتانیا بدون دوپنت و پوشش به همراه دوپ همزمان V و Nb (T- 5% Nb – 5%V) کلسینه شده در دمای C ° 475 بر روی زیرلایه شیشهای 84
جدول 4-2: مشخصات پوشش تیتانیا به همراه دوپ همزمان V و Nb (T- 10% Nb – 10%V) کلسینه شده در دمای C °475 بر روی زیرلایه شیشهای.. 86
جدول 4-3: مشخصات پوشش تیتانیا به همراه دوپ همزمان V و Nb (T- 15% Nb – 15%V) کلسینه شده در دمای C °475 بر روی زیرلایه شیشهای... 87
جدول 4-4: مشخصات پوشش تیتانیا به همراه دوپ همزمان V و Nb (T- 5% Nb – 15%V) کلسینه شده در دمای C ° 475 بر روی زیرلایه شیشهای. 89
جدول 4-5: مشخصات پوشش تیتانیا به همراه دوپ همزمان V و Nb (T- 15% Nb – 5%V) کلسینه شده در دمای C° 475 بر روی زیرلایه شیشهای.. 90
جدول 4-6: درصد تجزیه شدن آلاینده MB بعد از یک ساعت تابش نورUV 93
جدول 4-7: مشخصات نمونههای حالت (TNV4)، تیتانیا دوپ شده با V و Nb،کلسینه شده در دماهای مختلف به مدت 1h............ 95
جدول 4-8: درصد تجزیه شدن آلاینده MB در نمونههای TNV4، کلسینه شده در دماهای مختلف، بعد از یک ساعت تابش نورUV........... 96
جدول 4-9: : مشخصات طیفهای UV-Vis و محاسبه انرژی باند ممنوعه پوشش تیتانیای خالص و تیتانیا دوپ شده با V و Nb......... 98