مقدمة للجسيمات النانوية التحفيزية الضوئية

التحفيز الضوئي هو عملية تنقية بعض الملوثات البيئية باستخدام امتصاص الموجات فوق البنفسجية والمرئية بواسطة جزيئات أكسيد المعدن (أشباه الموصلات). اليوم، تم تطوير استخدام الجسيمات النانوية لأكسيد المعادن بشكل كبير نظرًا لخصائصها الفريدة على مقياس النانو. تُعرف الجسيمات النانوية لأكسيد التيتانيوم والجسيمات النانوية لأكسيد الزنك ومؤخرًا الجسيمات النانوية لأكسيد النحاس بالجسيمات النانوية ذات خصائص التحفيز الضوئي. أيضًا، في الأبحاث الحديثة، تم استخدام مزيج الجرافين مع الجسيمات النانوية المذكورة لزيادة خصائص التحفيز الضوئي.

عملية التحفيز الضوئي

تعد آلية تحلل الملوثات بمساعدة المواد المحفزة ضوئيًا من المجالات الجذابة للعديد من الباحثين، وقد تم حتى الآن إجراء الكثير من الأبحاث في مجال عملية التحفيز الضوئي والجسيمات النانوية المحفزة ضوئيًا. على الرغم من أن عملية التحفيز الضوئي لتدمير الملوثات تختلف من نوع إلى آخر، إلا أن الوظيفة العامة لإنتاج جذور الهيدروكسيل لتدمير الملوثات هي نفسها في جميعها.

عندما يضرب فوتون ذو طاقة تساوي أو أكبر من فجوة الطاقة سطح مادة المحفز الضوئي (أكسيد المعدن)، يتم إثارة إلكترونات نطاق التكافؤ وتمر عبر فجوة الطاقة أو فجوة الطاقة إلى نطاق التوصيل، ويسمى ذلك غير متجانس عملية التحفيز الضوئي
طاقة الفجوة المحظورة للمحفز الضوئي هي فرق الطاقة بين نطاق التكافؤ العالي ونطاق التوصيل الفارغ ويتم التعبير عنها عادة بالإلكترون فولت. بعد امتصاص الضوء بواسطة المحفز الضوئي، تنتقل الإلكترونات من الحالة الأرضية إلى الحالة المثارة، ونتيجة لذلك تنشأ ثقوب بسبب نقص الإلكترونات في نطاق التكافؤ. تتمتع الثقوب بقدرة أكسدة عالية جدًا، كما تتمتع الإلكترونات بخصائص اختزال قوية. ثقوب الإلكترون التي تنتج نتيجة عملية التحفيز الضوئي، بعد ملامستها للماء والأكسجين في الهواء، تولد جذور الأكسجين والهيدروكسيد الحرة، والتي لها خصائص مؤكسدة عالية ويمكن أن تحول الملوثات والبكتيريا الضارة إلى مواد غير ضارة مثل الماء وتتحلل. ثاني أكسيد الكربون. يظهر المخطط العام لعملية التحفيز الضوئي في الشكل أدناه.

عملية التحفيز الضوئي

تتمتع الهياكل النانوية لأكسيد الفلز البسيط والمختلط، بما في ذلك أكسيد الزنك وأكسيد النيكل وأكسيد الرصاص وأكسيد النحاس وأكسيد المنغنيز والإسبنيل (AB ₂ O ₄ ) والبيروكسيدات (ABO ₃ ) بخصائص خاصة وفريدة من نوعها، نظرًا لأبعادها النانوية. شخص تختلف هذه الخصائص تمامًا عن البنية السائبة وهي معاكسة تمامًا للبنية الجزيئية وتستخدم في مجالات مختلفة مثل الإلكترونيات المغناطيسية والإلكترونيات الضوئية والمحفزات البيئية والطب وما إلى ذلك. ونظرًا للنطاق الواسع من الهياكل النانوية وتطبيقاتها المتنوعة، يتم استخدام طرق مختلفة لإنتاجها. يعتمد اختيار الطريقة على نوع المادة وتطبيقها.

يتميز تحضير المواد المعدنية النانوية باستخدام الطرق الكيميائية اللينة بمزايا مقارنة بالطرق التقليدية، بما في ذلك إمكانية التحكم بشكل أكبر في قياس العناصر الكيميائية للمعادن، وانخفاض درجات حرارة التكوين والبلورة، وإنتاج مواد أكثر تجانسًا ونقاء، وتشكيل طلاء مناسب. وبشكل موحد حول الطبقات، يتم إنتاج المواد الكثيفة عند درجات حرارة أقل بمئات الدرجات من درجة الحرارة المطلوبة للمساحيق الكثيفة وإمكانية تشكيل مادتين أو ثلاث مواد مكونة. لذا يبدو أن الطرق الكيميائية الناعمة هي بديل جيد للطرق القديمة. ومن بين أهم الطرق الكيميائية اللينة لتحضير الهياكل النانوية لأكسيد الفلز، الطرق المذيلة (المستحلبات الدقيقة العكسية)، والطرق الحرارية المائية، والسول جل، والتحلل الحراري، وغيرها. في الطرق الكيميائية الناعمة أو الطرق القائمة على المحاليل، كما يوحي اسمها، تتم خطوة واحدة على الأقل من خطوات الوصول إلى المادة المعدنية النهائية في المحلول. في هذه الطرق يكون للخطوة التي تتم في المحلول تأثير عميق على خفض درجة حرارة التكوين وزيادة درجة نقاء وتجانس التركيبة النهائية ونتيجة لذلك فإنه يتيح إنتاج مادة معدنية بجودة ممتازة وتطبيقات أفضل. كل من هذه الأساليب لها مزاياها وعيوبها. لأنه وفقًا للطريقة المختارة لصنع المادة، ستكون خصائص المنتج النهائي مختلفة. نقطة أخرى هي أن بعض الطرق تقتصر على صنع فئة معينة من المواد. وبشكل عام فإن اختيار كل من الطرق المذكورة أعلاه يتم على أساس توافر عدة شروط ووفقاً لما يلي:

1: حجم الجسيمات المرغوبة، توزيع حجم الجسيمات، مورفولوجيا المركب، النقاء الكيميائي، كفاءة المنتج

2: مرافق إنتاج الجسيمات تعني درجة تعقيد المرافق المطلوبة وظروف العمل (درجة الحرارة والضغط والسمية وما إلى ذلك) والسعر.