عنوان پایان‌نامه
لایه نشانی نانوکامپوزیت تیتانیوم اکساید و نانوساختار کربنی بر روی سطوح ثابت و بررسی فعالیت آن در فرایند فتو کاتالیستی
- رشته تحصیلی
- مهندسی شیمی - طراحی فرآیندها
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 1750.;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 75348
- تاریخ دفاع
- ۱۶ خرداد ۱۳۹۵
- دانشجو
- اکرم ابراهیمی
- استاد راهنما
- شهره فاطمی
- چکیده
- هدف این پژوهش بررسی فرآیند فتوکاتالیستی تیتانیا و کامپوزیت آن با گرافن اکساید جهت حذف آلاینده ی آلی از هوا در یک راکتور لایه نشانی شده لوله ای با جریان پیوسته می باشد. جهت تهیه کامپوزیت از روش هیدروترمال استفاده شد و پودر P25 و گرافن اکساید سنتز شده در این پروژه کامپوزیت شدند. جهت لایه نشانی تیتانیا از دو روش رسوبی الکترولیز و غوطه وری استفاده شد، در روش الکترولیز (EPD) از دو عامل پاشنده بنزوئیک اسید و ید در مقایسه با یکدیگر استفاده شد و نیز اثردو پارامتر زمان و ولتاژ لایه نشانی بر روی کیفیت لایه تیتانیا بررسی شد. بهترین شرایط، با حضور عامل پاشنده ید با اختلاف پتانسیل 12 ولت در مدت زمان 100 ثانیه جهت تهیه یک لایه پایدار و یکنواخت بر روی سطح استیل نتیجه گیری شد. جهت لایه نشانی کامپوزیت بر روی سطح خارجی یک لوله استیل به عنوان راکتور از لایه نشانی به روش غوطه وری استفاده شد و خواص فتو کاتالیستی در شرایط پیوسته از جریان هوا بررسی شد. در این پروژه گرافن اکساید به روش هامر اصلاح شده سنتز شد، نانو کامپوزیت با دو نسبت 0.5% و 2.5% وزنی از گرافن اکساید نسبت به تیتانیا تولید شد و خواص آن با تیتانیای خالص P25 مقایسه شد. آنالیزهای FT-IR، XRD، DRS، BET، TEM و SEM برای مشخصه یابی نمونه های سنتز شده انجام گرفت. آنالیز FT-IR نشان داد که گروه های عاملی گرافن اکساید از بین رفته و کربن در ساختار تیتانیا وارد شده است. همچنین آنالیز DRS نشان میدهد که لبه جذب نمونه های سنتز شده به اندازه 20 نانومتر به سمت ناحیه مرئی کشیده شده است و میزان جذب نور در ناحیه مرئی بیشتر شده است. در آنالیز XRD نیز نشان داده شدکه گرافن اکساید کاهش یافته تغییری در ساختار کریستالی تیتانیا ایجاد نمیکند. در تصاویر SEM گرفته شده از نمونه ها، میزان همگن بودن کامپوزیت های سنتز شده بررسی شد. در آنالیز BET، افزایش سطح ویژه، اندازه و حجم حفرات با افزایش درصد وزنی گرافن نشان داده شد. در تصاویر TEM مربوط به گرافن اکساید و کامپوزیت قرار گرفتن ذرات تیتانیا بر روی ورقه های گرافن اکساید به ابعاد میکرومتری مشخص بوده است، که در درصدهای وزنی بالا از گرافن، ورقه های گرافن بر روی سطح ذرات تیتانیا قرار میگیرند. به منظور تعیین فعالیت فتوکاتالیستی نمونه های مختلف، تجزیه ی استالدهید، به عنوان یک آلاینده ی آلی فرار درون یک راکتور لوله ای پیوسته، که کامپوزیت در سطح خارجی یک لوله استیل لایه نشانی شده است ،تحت نور فرابنفش و مرئی مورد بررسی قرار گرفت و با تیتانیای خالص P25 مقایسه گردید. نتایج این آزمایش ها مشخص کرد که تحت تابش فرابنفش، P25 و کامپوزیت 0.5%، غلظت 500 پی پی ام از استالدهید را به طور کامل حذف کرده اند و در کامپوزیت 0.5% این حذف سریع تر انجام شده است. تحت تابش نور مرئی میزان حذف از 51% برای P25 به 69% برای کامپوزیت 0.5% رسیده است که این بهبود به دلیل افزایش سطح ویژه، اندازه و حجم حفرات، تشکیل پیوند شیمیایی بین اتم های تیتانیا و کربن، کاهش گاف انرژی و عدم باز ترکیب الکترون- حفره تشکیل شده میباشد، اما در کامپوزیت 2.5% میزان حذف در نور فرابنفش به 65% و در نور مرئی به 41% رسیده است. بنابراین نسبتهای کم گرافن در کامپوزیت تیتانیا باعث بهبود خواص آن تحت نور مریی می شود و در نسبت های بالا با وجود افزایش سطح ویژه و اندازه و حجم حفرات، به دلیل ممانعت گرافن از رسیدن نور به تیتانیا فعالیت فوتوکالیستی کاهش میابد.
- Abstract
- Photocatalytic performance of titania-reduced graghene oxide (TiO2-RGO) composite, in compare with titania, was investigated in a coated - layer tubular reactor to remove acetaldehyde as a volatile organic compound from the air stream. Graphene oxide was synthesized by modified hummers method and hydrothermal method was used to simultaneously reduce graphene oxide (GO) and compose with P25. Nanocomposites containing 0.5% and 2.5 wt % of graphene oxide were synthesized and thin layer of the nano composite material (TiO2-RGO) was coated on the external surface of the stainless steel tube to prepare the coated-layer tubular photoreactor. FT-IR, XRD, DRS, BET, TEM and FESEM analysis were performed to characterize the samples. FT-IR analysis showed that functional groups in the structure of graphene oxide were almost removed and C-Ti bond was formed in the structure of composite material. DRS analysis showed that the adsorption edge of synthesized composites was red- shifted about 20 nm to visible range and adsorption intensity was increased in visible region. XRD analysis revealed that reduced graphene oxide made no changes in the crystal phase of titania. In FESEM images, the homogeneity of the synthesized composite particles was observed. In BET measurements, an increase in the specific surface area, mean pore diameter and total pore volume was observed by adding more graphene oxide in the composite. TEM images showed deposition of nano titania particles on the surface of micrometer-sized graphene oxide sheets, in which by using high weight ratio of graphene oxide, graphene sheets may cover the surface of titania particles. Two methods of layer deposition; Electrophoretic deposition (EPD) and dipcoating were applied for layer deposition. EPD was used for deposition of TiO2 on the surface of stainless steel. In EPD method, two different dispersing agents such as benzoic acid and iodine were used, comparatively. The effect of time and voltage of the EPD was investigated on quality of the deposited layer, from the point of homogeneity and defects. The best conditions were found in the presence of iodine as the dispersing agent, 12 volt of voltage and 100 seconds time to form a stable and uniform layer on steel substrate. Dipcoating method was used for layer deposition of composite on the surface of a tubular surface as a reactor and photocatalytic properties were investigated in continuous air flow. To determine the photocatalytic activity of samples and comparing with P25, degradation of acetaldehyde, as a volatile organic compound, was investigated in tubular continuous reactor in the presence of UV and visible light, in which the composite was dipcoated on the surface of stainless steel tubular reactor. The results showed that under irradiation of UV light, P25 and P25-RGO 0.5%, degraded acetaldehyde with 500 ppm concentration, entirely and the rate of removal in the P25-RGO 0.5% was relatively faster. In the irradiation of visible light, 51% of acetaldehyde was removed by P25, whereas it was increased up to 69% using P25-RGO 0.5%. This improvement is due to an increase in specific surface area, pore diameter and pore size, chemical bonds between titanium and carbon in the structure, reduced band-gap and reduced recombination of produced electron-hole pairs. In P25-RGO 2.5%, degradation was 65% and 41% in UV and visible irradiation, respectively. In conclusion, less graphene content in titania composite, causes more improvement in photocatalytic performance, however more increasing of graphene content reduces the photocatalytic activity even if specific surface area, pore diameter and total pore volumes are increased.
