ساخت تیتانیای مزوحفره با ساختار حفرات منظم به روش سل-ژل اصلاح‌شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه مهندسی مواد، واحد نجف‌آباد، دانشگاه آزاد اسلامی، نجف‌آباد، ایران

چکیده

مقدمه و اهداف: تلاش‌های زیادی برای ساخت تیتانیای مزوحفره، به‌علت ویژگی‌های خاص و کاربردهای آن انجام شده است. ساختار مزوحفره تیتانیا، سطح ویژه بالایی را فراهم می‌کند که باعث افزایش کارایی کاتالیزوری آن و تسهیل تعامل با مولکول‌های واکنش‌دهنده می‌شود.
مواد و روش‌ها: در تحقیق حاضر، تیتانیای مزوحفره با استفاده از یک روش سل-ژل اصلاح شده و با استفاده از دو سورفکتانت ساخته شد. پراش اشعه ایکس، میکروسکوپ الکترونی روبشی، میکروسکوپ الکترونی عبوری، آزمون جذب و واجذب نیتروژن و طیف‌سنجی انعکاسی ماوراءبنفش-مرئی برای شناسایی مواد تولیدی استفاده شدند. فعالیت فوتوکاتالیستی نمونه‌ها با استفاده از تخریب رنگ آلی متیل اورانژ مورد مطالعه قرار گرفت.
یافته‌ها: نتایج آنالیز پراش اشعه ایکس نشان داد تیتانیا با ساختار تتراگونال آناتاز تشکیل شده است. اندازه بلورک با استفاده از روش شرر حدود ۲۶ نانومتر و با استفاده از روش ویلیامسون-هال حدود ۲۴ نانومتر محاسبه شد. وجود حفرات منظم با ساختار مزو توسط میکروسکوپ الکترونی عبوری مشاهده شد. سطح ویژه نمونه حدود ۷۰ متر مربع بر گرم با توزیع اندازه حفرات بین 2/5 تا ۸ نانومتر به‌دست آمد. نتایج جذب نور نمونه‌ها نشان داد شکاف انرژی محصول حدود 3/2 الکترون‌ولت می‌باشد. تخریب فوتوکاتالیستی نمونه اندازه‌گیری شد و ثابت سینتیک واکنش تخریب رنگ متیل اورانژ، min⁻¹ 0/0042 به‌دست آمد.
نتیجه‌گیری: نتایج نشان داد خروج سورفکتانت از نمونه‌ها می‌تواند تخلخل‌های منظم با ساختار مزو ایجاد کند. تیتانیای مزومتخلخل تولید شده می‌تواند به‌عنوان یک نیمه‌رسانای فوتوکاتالیستی مورد استفاده قرار گیرد. 

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Fabrication of Mesoporous Titania with an Ordered Porous Structure Using a Modified Sol-Gel Method

نویسندگان [English]

  • Alireza Ziaei-Abiz
  • Sayed Ali Hassanzadeh-Tabrizi
  • Ali Saffar
  • Reza Ebrahimi-Kahrizsangi
  • Mahdi Omidi
Department of Materials Engineering, Na.C., Islamic Azad University, Najafabad, Iran
چکیده [English]

Introduction and Objectives: Many efforts have been made to fabricate mesoporous titania due to its special properties and specific applications. The mesoporous structure of titania provides a large specific surface area, enhancing its catalytic efficiency and facilitating interaction with reactant molecules.
Materials and Methods: In the present study, mesoporous titania was synthesized using a modified sol-gel method with two different surfactants. The produced materials were characterized using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area analysis, and UV-Vis diffuse reflectance spectroscopy. The photocatalytic activity of the samples was evaluated by studying the degradation of the organic dye methyl orange.
Results: X-ray diffraction analysis revealed that the titania was formed with a tetragonal anatase structure. The crystallite size was calculated to be approximately 26 nm using the Scherrer method and about 24 nm using the Williamson-Hall method. The presence of ordered pores with a mesoporous structure was observed by transmission electron microscopy. The specific surface area of the sample was about 70 m²/g with a pore size distribution between 2.5 and 8 nm. The light absorption results of the samples indicated that the bandgap of the product was approximately 3.2 eV. The kinetic constant of the methyl orange photodegradation reaction was found to be 0.0042 min⁻¹.
Conclusion: The removal of surfactant from the samples effectively created regular mesoporous structures. The produced mesoporous titania can be used as a photocatalytic semiconductor.

کلیدواژه‌ها [English]

  • TiO2
  • Mesoporous
  • Surfactant
  • Photocatalyst
  • Sol-gel

مراجع

  1. Ciesla U, Schüth F. Ordered mesoporous materials. Microporous mesoporous Mater. 1999;27(2–3):131–49. https://doi.org/10.1016/S1387-1811(98)00249-2
  2. ALOthman ZA. A review: fundamental aspects of silicate mesoporous materials. Mater. 2012;5(12): 2874–902. https://doi.org/10.3390/ma5122874
  3. Suib SL. A review of recent developments of mesoporous materials. Chem Rec. 2017;17(12): 1169–83. https://doi.org/10.1002/tcr.201700025
  4. Li Z, Liu L, Wang Z, Gao P, Li GK. Synthesis and application of mesoporous materials: Process status, technical problems, and development prospects: A mini-review. Energy Fuels. 2023;37(5):3413–27. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.2c03882
  5. Zhang R, Elzatahry AA, Al-Deyab SS, Zhao D. Mesoporous titania: From synthesis to application. Nano Today. 2012;7(4):344–66. https://doi.org/10.1016/j.nantod.2012.06.012
  6. Nakata K, Fujishima A. TiO2 photocatalysis: Design and applications. J Photochem Photobiol C Photochem 2012;13(3):169–89. https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2012.06.001
  7. Guo Q, Zhou C, Ma Z, Yang X. Fundamentals of TiO2 photocatalysis: concepts, mechanisms, and challenges. Adv Mater. 2019;31(50):1901997. https://doi.org/10.1002/adma.201901997
  8. Swapna MV, Haridas KR. An easier method of preparation of mesoporous anatase TiO2 nanoparticles via ultrasonic irradiation. J Exp Nanosci. 2016;11(7): 540–9. https://doi.org/10.1080/17458080.2015.1094189
  9. Yu JC, Zhang L, Zheng Z, Zhao J. Synthesis and characterization of phosphated mesoporous titanium dioxide with high photocatalytic activity. Chem Mater. 2003;15(11):2280–6. https://doi.org/10.1021/cm0340781
  10. Niu B, Wang X, Wu K, He X, Zhang R. Mesoporous titanium dioxide: Synthesis and applications in photocatalysis, energy and biology. Mater. 2018; 11(10):1910. https://doi.org/10.3390/ma11101910
  11. Sule R, James UE. Synthesis of mesoporous TiO2 using aloe vera extract for solar cell applications. Case Stud Chem Environ Eng. 2024;10:101004. https://doi.org/10.1016/j.cscee.2024.101004
  12. Antonelli DM, Ying JY. Synthesis of hexagonally packed mesoporous TiO2 by a modified sol–gel method. Angew Chem Int Ed Engl. 1995;34(18): 2014–7. https://doi.org/10.1002/anie.199520141
  13. Alam MA, Ahmed S, Bishwas RK, Mostofa S, Jahan SA. X-ray crystallographic diffraction study by whole powder pattern fitting (WPPF) method: Refinement of crystalline nanostructure polymorphs TiO2. S Afr J Chem Eng. 2025;51:68-77. https://doi.org/10.1016/j.sajce.2024.10.010
  14. Alam MK, Hossain MS, Bahadur NM, Ahmed S. A comparative study in estimating of crystallite sizes of synthesized and natural hydroxyapatites using Scherrer Method, Williamson-Hall model, Size-Strain Plot and Halder-Wagner Method. J Mol Struct. 2024; 1306:137820. https://doi.org/10.1016/j.molstruc.2024.137820
  15. Pang W, Li Y, DeLuca LT, Liang D, Qin Z, Liu X, et al. Effect of metal nanopowders on the performance of solid rocket propellants: A review. Nanomater. 2021; 11(10):2749. https://doi.org/10.3390/nano11102749
  16. Myrick ML, Simcock MN, Baranowski M, Brooke H, Morgan SL, McCutcheon JN. The Kubelka-Munk diffuse reflectance formula revisited. Appl Spectrosc Rev. 2011;46(2):140–65. https://doi.org/10.1080/05704928.2010.537004
  17. Makuła P, Pacia M, Macyk W. How to correctly determine the band gap energy of modified semiconductor photocatalysts based on UV–Vis spectra. J Phys Chem Lett. 2018;9(23):6814-7. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b02892
  18. Serpone N. Is the band gap of pristine TiO2 narrowed by anion-and cation-doping of titanium dioxide in second-generation photocatalysts? J Phys Chem B 2006;110(48):24287-93. https://doi.org/10.1021/jp065659r
  19. Dette C, Pérez-Osorio MA, Kley CS, Punke P, Patrick CE, Jacobson P, et al. TiO2 anatase with a bandgap in the visible region. Nano Lett. 2014;14(11):6533–8. https://org/10.1021/nl503131s
  20. Zawadzki P, Kudlek E, Dudziak M. Kinetics of the photocatalytic decomposition of bisphenol a on modified photocatalysts. J Ecol Eng. 2018;19(4). https://doi.org/10.12911/22998993/89651
  21. Zolfaghari A, Raitsian M, Ashjari M. Photocatalytic degradation, study of optical and nanostructural properties of TiO2 nanoparticles with silver and sulfur doping in the anatase crystalline phase. Nanomater. 2021;71-85. (In Persian). https://doi.org/20.1001.1.20086156.1400.13.46.1.5
  22. Rezaei M, Ensafi AA. TiO2-x-MoS2 heterostructure: A study of kinetic, thermodynamic, and scavenging agents’ effects in photodegradation. Mater Sci Semicond Process. 2025;188:109162. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2024.109162
  23. Mondal A, Islam S, Zaman SM, Sultana M, Abedin MM, Chakraborty AK, et al. Fabrication of Ca-doped TiO2 for enhanced methylene blue degradation under UV-Vis irradiation. Next Mater. 2025;7:100392. https://doi.org/10.1016/j.nxmate.2024.100392
  24. Verma V, Saroj S, Jaiswal VK, Singh SV. Remediation of methylene blue water solution with iodine doped TiO2 nanoparticles and their regeneration: For reuse and check phytotoxicity level of treated water. Opt Mater. 2024;152:115521. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2024.115521
  25. Nguyen VN, Leu HJ, Phan HN, Nguyen TT, Ngo DH. Investigating the Recovery of PVDF/TiO2 Photocatalyst for Methylene Blue Degradation. Processes 2025;13(5):1392. https://doi.org/10.3390/pr13051392
  26. Li B, Zhang X, Yang X, Xu Y, Chun W, Hao Q,et al. Ti3+ self-doped TiO2 nanoparticles immobilized on self-pillared pentasil zeolite nanosheets: An efficient visible-light-driven degradation photocatalyst. Appl Surf Sci. 2024;677:161000. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161000

 

 

مواد پیشرفته در مهندسی
دوره 45، شماره 2
(شماره پیاپی 53)
تیر 1405
صفحه 99-112

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار

تحت نظارت وف بومی