دی اکسید تیتانیوم، Tio2

مروری بر کاربردهای ویژه نانوذرات دی اکسید تیتانیوم

تاريخ:پنجم مرداد 1398 ساعت 17:43   |   کد : 113

مواد پوششی با TiO2 تا کنون برای نقش های خودتمیزشوندگی ، ضدمیکروبی و ضدبخار استفاده شده است. توجه به این نکته مهم است که این نقش ها بدون استفاده از مواد شیمیایی و فقط تنها با استفاده از نور خورشید و آب باران به دست آمده است. بنابراین مواد پوشش داده شده می تواند به عنوان مواد سازگار با محیط زیست طبقه بندی شوند. از آنجا که فناوری نانو، یک رویکرد جدید به همه علوم و فنون می باشد، این فناوری کاربردهای زیادی در حوزه پزشکی یافته است.
               دانشجو: عطیه شفقتیان

               اساتید راهنما:
               آقای دکتر رضا تقی آبادی
               آقای دکتر رضا احمدی

               استاد مشاور:
               خانم دکتر شهریاری

مقدمه
مواد پوششی با TiO2  تا کنون برای نقش های خودتمیزشوندگی،ضدمیکروبی، ضدبخار استفاده شده است. توجه به این نکته مهم است که این نقش ها بدون استفاده از مواد شیمیایی و فقط تنها با استفاده از نور خورشید و آب باران به دست آمده است. بنابراین مواد پوشش داده شده می توانند به عنوان مواد سازگار با محیط زیست طبقه بندی شوند. از آنجا که فناوری نانو، یک رویکرد جدید به همه علوم و فنون می باشد، این فناوری کاربردهای زیادی در حوزه پزشکی یافته است. امروزه حوزه پزشکی به دلیل ارائه راه حل های جدید و پیشرفته جهت درمان و یا ارتقاء روشهای موجود درمانی بسیار مورد توجه می باشد. به عنوان مثال ابزارآلات مورد استفاده در جراحی با ایمپلنت ها می بایست ویژگی هایی از قبیل مقاومت به سایش مناسب، غیر سمی و خنثی بودن از لحاظ شیمیایی داشته باشند، از این رو این ابزارآلات نیازمند نانوپوشش ها هستند. در این مقاله علاوه بر مکانیسم و عملکرد، برنامه های کاربردی بیشتری از فوتوکاتالیست TiO2 که می تواند فعالانه به حفظ محیط زیست و یا مشارکت در بهبود فناوری ها داشته باشد را بررسی خواهیم کرد.

امروزه استفاده از کاتالیزورهایی که با تابش نور(فوتوکاتالیست) فعال می شوند بسیار رایج شده است. یکی از فوتوکاتالیست هایی که از گذشته در صنعت کاربرد داشته دی اکسیدتیتانیم (TiO2) است. بنابراین غیر مضر بودن این ماده برای انسان و محیط زیست به اثبات رسیده است. مطالعات انجام شده از ابتدای قرن 20 تا به حال بر روی این ترکیب دو نقش متفاوت TiO2 را به اثبات رسانده است. نقش اول قابلیت اکسیداسیون احیا ترکیبات جذب شده بر روی سطح آن و نقش دوم تغییر خصوصیات سطح اجسام به حالت هیدروفیلی )آبدوستیزمانی که TiO2 بر روی آن سطح قرار گیرد. ترکیب این دو نقش ابداعات مختلفی از کاربرد در زمینه های گوناگون را به وجود آورده است. در سال های اخیر مقالات مروری زیادی در زمینه کاربردهای مختلف دی اکسیدتیتانیم ارائه شده است [13_10]. در سال 2008 فوجی شیما و همکارانش در مقاله ای با عنوان فوتوکاتالیست TiO2 و پدیده های محیطی وابسته به آن در مورد تمام ابعاد فوتوکاتالیست TiO2 توضیح کاملی ارائه دادند6] [ . همچنین در سال 2010 مقاله ای با عنوان فوتوکاتالیست گندزدا توسط گاماژ و همکارش ژانگ ارائه شد. در این مقاله کاربردهای فوتوکاتالیست ها در زمینه تصفیه هوا و محیط های بیرونی، محیط های درونی، بیمارستان ها و آزمایشگاه ها، کارخانه های مواد غذایی و داروسازی توضیحاتی ارائه شده است.[7] در سال 2011 یان و همکارانش در مقاله ای مروری به نام تجزیه فوتوکاتالیستی بر پایه نانو ذرات  TiO2: تخریب ترکیبات کلرو آروماتیک مکانیسم و عملکرد نانو ذرات  TiO2را در تجزیه ترکیبات کلرو آروماتیک شرح داده اند[8]. در این مقاله سعی شده است صورت مختصر از خواص TiO2 در زمینه های خودتمیزشوندگی، ضد میکروبی، ضد بخار نمودن شیشه و آینه ها) ضد مه شدن (، تصفیه آب و هوا و فعالیت های زیست محیطی آن توضیح داده شود.

1. یکی از چالش های مهم تجهیزات و قطعات پزشکی
عواملی مانند اصطکاک، سایش و شرایط محیطی در ابزارآلات و قطعات صنایع پزشکی موجب تخریب سطوح قطعات می شوند. از این رو برای حل این چالش، طراحان با استفاده از» مهندسی سطح «  و اعمال نانوپوشش ها توانسته اند درصد تخریب قطعات را کاهش دهند. همچنین به دلیل حساسیت های بالای بهداشتی و بحث زیست سازگاری، در سالهای اخیر فناوری نانوپوشش به کمک حل این موضوع آمده است. فناوری نانوپوشش به دلیل ماهیت نانویی پوشش ها، خواص متفاوت و منحصر به فردی به ابزارآلات خواهد بخشید. افزایش فوق العاده سختی تا محدوده 50 گیگا پاسکال، ضریب اصطکاک 0.01 ، خنثی بودن شیمیایی و ظاهر زیبا از جمله ی این خواص می باشد. برای آشنایی بیشتر با نانوپوشش ها، در ادامه تعریف و سپس انواع آنها از لحاظ ساختاری آورده شده است.

 

 

2. فوتوکاتالیست های نیمه هادی
فوتوکاتالیست های نیمه هادی ترکیباتی هستند که در اثر تابش نور، واکنش های شیمیایی در سطح آنها تسریع می شود. از واکنش های فوتوکاتالیستی در کاربردهای عملی فراوانی استفاده شده است. انتخاب فوتوکاتالیست نیمه هادی مناسب، در بسیاری از کاربردهای عملی و بنیادی مهم است. چون فوتوکاتالیست های نیمه هادی همیشه جامد هستند، تغییرات متعددی در اندازه و توزیع آنها، مساحت سطح، ساختار سطحی و کریستالی آنها می توان ایجاد کرد. با بررسی های مختلفی روی فوتوکاتالیست های نیمه هادی، امکان فعال شدن آنها فراهم شده است. بدین ترتیب از انرژی نوری با کارایی بالایی می توان استفاده کرد[4].

 

3. فعالیت فوتوکاتالیستی
واکنش فوتوکاتالیستی نیمه هادی ساده است. تیتانیوم دی اکسید یک نیمه هادی است. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است نیمه هادی دارای دو باند ظرفیت )پر از الکترون( و هدایت )خالی از الکترون (می باشد و بین این دو باند فاصله ی خاصی) گاف انرژِی( قرار دارد که در صورت تابش نور با طول موج مشخص امکان انتقال الکترون از باند ظرفیت به باند هدایت می باشد. در اثر انجام این عمل لایه ی ظرفیت، الکترون از دست داده و لایه ی هدایت دارای الکترون خواهد داشت. این عمل انتقال در زمان بسیار کوتاهی انجام می گیرد و دو مرتبه الکترون از تراز بالا (باند هدایت) به تراز پایین (باند ظرفیت) برمی گردد(مسیرA) وB)(، امکان دیگری است که اگر در محیط ترکیبی باشد که توانایی دادن الکترون به باند ظرفیت TiO2 را داشته باشد (مسیر(D معمولا آن ترکیب اکسید می شود. همچنین اگر ترکیبی باشد که بتواند از باند هدایت الکترون بگیرد A)( معمولا اکسیژن مسیر(C( احیا می شود. بنابراین TiO2 امکان اکسید یا احیا کردن ترکیباتی که در مجاور آن قرار می گیرددر  هنگامی که نور با طول موج مشخصی به آن تابیده شود را خواهد داشت]5[
توانایی یک نیمه هادی برای اینکه الکترون خود را با تابش نور به مواد جذب شده روی سطح منتقل کند، به وسیله مکان های انرژی ترازهای نیمه هادی و پتانسیل اکسایش-کاهش ماده جذب شده بستگی دارد. سطح پتانسیل نسبی مواد گیرنده باید از لحاظ ترمودینامیکی پایین تر از پتانسیل نوار هدایت نیمه هادی باشد. سطح پتانسیل دهنده باید بالاتر(منفی تر) از مکان نوار ظرفیت نیمه  هادی باشد، تا بتواند الکترون را به مکان خالی حفره منتقل کند نیمه هادی هایی نظیر ZnO،ZnS،CdSو Fe2O3 به علت ناپایدار بودن شان فوتو کاتالیست های مناسبی نیستند.WO3، SrTiO3   هم به خاطر گرانی و آسان نبودن تهیه شان گزینه های مناسبی نیستند. در بین این ترکیبات TiO2 از جهات مختلف فوتو کاتالیست ایده آلی به نظر می رسد.

 

شکل 1 . عملکرد فوتوشیمیایی ذرات برانگیخته [5]

 

در سال 1960 دانشمندان ژاپنی با توجه به این خصلتTiOموفق به تجزیه فوتو الکتروشیمیایی آب شدند. مکانیزم شیمیایی پیشنهادی آنها به صورت زیر می باشد ( واکنش های 1-4)  هنگامی که سطح TiO2 در معرض امواج با طول موج کوتاهتر از 415nm قرار می گیرد ، جریان الکتریکی در مدار خارجی از سمت الکترود پلاتین به سوی الکترود TiO2  برقرار می شود . جهت جریان نشان دهنده ی واکنش اکسایش در الکترود TiO2 و واکنش کاهش در الکترود Pt  است. این حقیقت نشان می دهد که توسط نیمه هادی TiO2 می توان آب را توسط امواج ماورا بنفش (UV) مرئی و بدون اعمال ولتاژ خارجی مطابق با واکنش بالا به اکسیژن و هیدروژن تجزیه نمود. در این مکانیزم h+ (حفره) همان لایه ظرفیت خالی از الکترون می باشد. حسن استفاده از این روش برای تجزیه ی آب استفاده از نور و کاتالیزور بوده که منبع مناسبی برای تولید گاز هیدروژن به عنوان یک سوخت و جایگزین نفت در حضور الکترولیت محلول آبی و خام می باشد. این مدار و الکترود TiO2 در شرایط یکسان بیشتر از سایر نیمه رساناها پایدار است از کاربردهای دیگر اکسید تیتانیم می توان تجزیه مواد مضر را نام برد. درسال 1977 اولین گزارشها مبنی بر تصفیه آب و تجزیه ی سیانید توسط پروفسور بارد و همکارانش گزارش شد و قسمتی از هدف آزمایش به جای تولید هیدروژن به اکسید شدن ترکیبات مضر(از جمله آلودگی های آب) تبدیل شد. در این مورد دیگر نیازی به پلاتینه کردن TiO2 نبود  واز پودر ان ماده در شرایط خاص استفاده شد.

 

4. فوتو کاتالیست  TiO2
TiO2 از لحاظ شیمیایی بسیار پایدار است، ارزان قیمت است و حفره هایی که با تابش نور در آن ایجاد می شود شدیدا اکسید کننده هستند. حفره هایی که با تابش نور ایجاد شده اند بعد از واکنش با آب، این حفره ها رادیکال های OH• ایجاد می کنند و پتانسیل آن به مقدار کمی کاهش پیدا می کند. پتانسیل احیا برای نوار هدایت الکترون ها 0.52 است، بنابراین به اندازه کافی منفی هست که مولکول های اکسیژن را احیا کند. با توجه به شرایط موجود، حفره ها رادیکال های O به صورت 2 می توانند نقش مهمی در مکانیزم های مربوط به O2- ، H2O2 ،O2 ،OH• فرآیند فوتوکاتالیستی داشته باشند.
TiO2در سه حالت شبکه ای روتیل، آناتاز و بروکیت وجود دارد. در مقایسه بین این سه حالت شبکه ای، آناتاز بیشترین سهم فعالیت فوتوکاتالیستی را دارد. در گذشته فرم روتیل انحصارا در تولید محصولات صنعتی استفاده می شد، ولی در ادامه به جای این ترکیب از حالت آناتاز TiO استفاده  شد. این ترکیب امروزه بیشترین کاربرد را در تولید محصولات صنعتی دارد به طور کلی آناتاز با داشتن  Eg باند گپ (3.2 ev) نتایج بهتری از روتیل (ev 3) در تولید فوتو کاتالیست پودری دارد. یکی از دلایل اصلی آن داشتن پتانسیل احیای بالاتر برای تولید الکترون ها از ابتدای تشکیل تا انتهای نوار هدایت است (باند گپ آناتاز0.1 الکترون ولت منفی تر از روتیل می باشد) بنابراین توانایی بیشتری برای از بین بردن آلودگی ها خواهد داشت. [3]
تحقیقات دیگر بیانگر این مطلب است که یک کاتالیست ایده آل مخلوطی از فازهای آناتز و روتیل است. علت افزایش فعالیت فوتوکاتالیستی انتقال الکترون بین فازهای کریستالی است که منجر به کاهش ترکیب مجدد الکترون-حفره در فاز دهنده الکترون می شود، در نتیجه حفرات بیشتری از فاز دهنده الکترون می توانند به سطح کریستال نفوذ کرده و در مرحله تولید رادیکال شرکت کنند. مطالعات نشان می دهد که انتقال الکترون از روتیل به آناتاز صورت می گیرد. خروج گروه های هیدروکسیل از صفحات (101) (100) آناتاز راحتتر از صفحه (110)روتیل است. از آنجایی که گروه های هیدروکسیل در فاز آناتاز در مقایسه با فاز روتیل با استحکام کمتری متصل شده اند، افزایش تعداد حفرات نفوذ کننده به سطح آناتاز احتمالا باعث افزایش تعداد گروه های هیدروکسیلی خواهد شد که به رادیکال هیدروکسیل تبدیل خواهند شد که در نهایت سرعت حمله به ترکیبات آلی افزایش می یابد. محققان پیشنهاد کرده اند که به احتمال زیاد الکترونها به تله های الکترونی آناتار، که در سطح انرژی پایین تری قرار دارند، منتقل می شوند[9].
سرعت تولید الکترون-حفره در روتیل به دلیل پایین تر بودن شکاف انرژی در مقایسه با آناتاز بیشتر است، اما فاز آناتاز در مقایسه با روتیل الکترونهای بیشتری را به دام می اندازد، بنابراین ترکیب مجدد الکترون-حفره در فاز آناتاز نسبت به روتیل کمتر صورت می گیرد که این امر منجر به افزایش تعداد حفرات در دسترس می شود. مطالعات دیگر نشان می دهد که علت افزایش فعالیت مخلوط آناتاز-روتیل، انتقال الکترونها از فاز روتیل به تله های الکترونی آناتاز است که در سطح انرژی پایین تری قرار دارند[9] این امر موجب می شود تعداد بیشتری از حفرات تولید شده در فاز روتیل به سطح نفوذ کرده و با جذب گروه های هیدروکسیل در تولید رادیکال آزاد شرکت کنند. در شکل 2 کاربرد های اصلی فعالیت فتوکاتالیست TiO2 نشان داده شده است. اخیرا کاربرد TiO2 بیشترشده است خصوصا استفاده از آن. درتصفیه ی آب و هوا مقرون به صرفه تر است. زیرا با استفاده از فرایند اکسایش فوتوکاتالیست ها صورت می گیرد که دارای مزایای زیراست:
راه اندازی آسان، عمل کردن در دمای پایین، عدم نیاز به پیش پرداز وهزینه ی پایین انجام این فرایند که در نتیجه مصرف انرژی کمتر می باشد [3].

 

شکل 2 زمینه های استفاده TiO2 [4]

 

 4.1اثرخود تمیز شوندگی
برای پی بردن به خاصیت خود تمیز شوندگی دو اثر فوق آب دوستی و فوق آب گریزی را بایستی شناخت. از سطوح آب گریز می توان برگ گیاه نیلوفر آبی و یا کاشی را مثال زد. و یا با استفاده از مواد آب دوست تولید شده، در اثر فعالیت فوتوکاتالیست نیمه هادی TiO2 پوشش شیشه ای، کاشی سرامیک و مواد پلاستیکی تهیه شده است. اگر این مواد دارای پوشش TiO2در معرض نور قرار بگیرند، روغن و آلودگی های آلی را که روی آن قرار گرفته اند راتجزیه می کنند و اگر در تماس با آب قرار بگیرد به راحتی توسط آب )باران( شست و شو داده می شود [1]. خیس کردن سطح جامد با آب، جایی که هوای متوسطی اطراف آن وجود دارد به زاویه ی تماسی θ )زاویه ی بین قطره آب و سطح( مربوط می شود. زاویه ی تماسی صفر خیسی کامل( قطره آب بصورت یک لایه در روی سطح آب پخش شود(  و زاویه ی تماسی 180 درجه مربوط به غیر خیسی کامل )قطره آب بصورت یک کره کامل روی سطح باقی می ماند( است.

 

شکل 3. زاویه تماس ومیزان آبدوستی [2]

 

 سطح آب گریز با رطوبت پذیری کم و زاویه ی تماس حدود 100 درجه برای مدت طولانی شناخته شده بود، افزایش این زاویه باعث کاهش چسبندگی می شود و کاهش زاویه ی تماس منجر به مقادیر بزرگتری از چسبندگی می شود. دفع آب از سطح گیاه برای سال ها شناخته شده بود، این سطوح دافع آب از سطح گیاه خاصیت خود تمیز شونده ای ایجاد می کند که برای مدت ها به طور کامل نادیده گرفته شده بود.

 

شکل 4. ) الف (اثر لوتوس) ب (عکس گرافیکی از سطح برگ نیلوفر آبی [2]

 

اخیراً دانشمندان ارتباط بین جزئیات ریزساختارها و خیسی، و هم چنین از بین بردن آلاینده ها را با استفاده از برگ های نیلوفر آبی مورد بررسی و اثبات قرار داده اند[1] . نام این اثر، اثر لوتوس است زیرا می توان آن را به زیبایی با برگهای بزرگ گیاه نیلوفر آبی نشان داد  )شکل (4سطوح ریز و زبر زاویه ی تماس بالاتر از 130 درجه را نشان می دهد-4) ب ( این بدین معناست که چسبندگی آب به عنوان ذرات کاهش می یابد، آب با چنین سطح تماسی قطره نامیده می شود. ذرات آلوده به سطح قطره می چسبند و با غلتیدن قطرات از سطح زبر دفع می شوند(الف_4) [2]

روش تمیز کردن بر اساس زاویه ی کم از زمان کشف صابون شناخته شده بود)سه هزار سال پیش از میلاد) به طور کلی مواد شوینده باعث کاهش کشش سطحی و زاویه ی تماس می شوند. یکی دیگر از امکانات بسیار جالب از زاویه تماس کم بدون استفاده از مواد شوینده برای تمیزی سطوح، استفاده ازفیلم نازک فعال می باشد. در سالهای گذشته استفاده از مواد پوشش داده شده با TiO2 مورد توجه قرار گرفته است. اگر  TiO2از نوع آناتاز باشد موقعی که تحت تابش نور ماورای بنفش قرار می گیرد زاویه ی تماس کمتر از 1 درجه به دست می آید. این مواد دارای ویژگی منحصر به فرد جذب بیشتر به جای دفع آب دارند )فوق آب دوست( دی اکسید تیتانیم با تابش نور خاصیت آب دوستی پیدا می کند و آب بر روی سطح آن بصورت ورقه در می آید و در تاریکی خاصیت آب گریزی به خود می گیرد. البته تبدیل خاصیت آبدوستی به آبگریزی در تاریکی به حدود دو روز زمان نیاز دارد. علاوه بر این TiO2 در تابش نور ماورای بنفش خاصیت دیگری که توانایی اکسیدکنندگی و تجزیه بسیاری از انواع باکتری ها، مواد آلی و معدنی می شود را دارا می باشد. در ادامه اصول و کاربردهای بالقوه فوتوکاتالیست ها مورد بررسی قرار خواهد گرفت.[4]

با پوشش دادن مواد ساختمانی با فوتوکاتالیست های فوق آبدوست، آلودگی از روی دیوارها به آسانی با شستشو و یا باران برداشته می شود، و دیوارهای خارجی برای مدت طولانی تمیز نگه داشته می شوند. در اینجا دو اثر را باید در نظر داشت: اول سطح فوق آبدوست تمایل زیادی به آب نسبت به چربی دارد و دوم اینکه تابش ماورای بنفش به TiO2تشکیل جفت الکترون-حفره برای واکنش با اکسیژن و آب در محیط کمک می کند تا عوامل تمیزشوندگی بر روی سطوح مواد پوششی تشکیل شود. این عوامل رادیکا لهای (OH•, OOH•) می باشند که مولکول های بزرگ آلی را به قطعات کوچک تبدیل می کنند [3]

 

4.2 استفاده از نقش خود تمیز کنندگی در تونل ها
در اکثر تونل ها برای روشنایی از لامپ های سدیم که نور زرد را منتشر می کنند استفاده می شود منتهی به علت آلودگی هوا سریعا سطح خارجی لامپ کثیف و شدت نور آن کم می شود لامپ سدیم در ناحیه مرئی نشر قرار دارد ولی در حدود3  نور ماورای بنفش را نیز نشر می کند. از این خاصیت استفاده شده و با پوشش دادن TiO2بر روی سطح خارجی لامپ و اثر خود تمیز شوندگی لامپ و اثر فوتوکاتالیستی TiO2را باعث شده است، و می توان برای مدت زیادی از این لامپ ها استفاده کرد[4]

 

4.3 نقش ضد بخار
در شیشه و آینه های معمولی بخار آب باعث ماتی سطح آنها می شود. ولی در شیشه و آینه های که سطح آنها توسط یک لایه نازک TiO2 پوشش داده شده است به علت خاصیت آ بدوستی TiO2در حضور تابش نور به جای قطرات آب یک فیلم نازک و یکنواخت آب تشکیل می شود ودیگر حالت ماتی وجود نخواهد داشت. با پوشش TiO2بر روی سطوح این حالت فوق آبدوستی برای چندین روز تا یک هفته بدون تغییر باقی می ماند. بنابراین انتظار داریم با استفاده از این روش که فرایند راحت تر و ارزانتری است، شیشه های مختلف مثل آیینه ها، عینکها و وسایل دیگر با کمک این خاصیت، ضدبخار تولید شوند. امروزه آیینه های جانبی برخی اتومبیل ها به این سیستم ضد بخار مجهز شده است[4]

 

4.4 خاصیت ضد میکروبی اکسیدتیتانیوم
همانطور که در قسمت های قبل گفته شده است  TiO2در اثر تابش نور می تواند گونه های OH• و O2• را تولید نماید. این ترکیبات به غشای خارجی باکتری ها که شامل فسفولیپید، پروتئین و LPS  (لیپوفسفوساکارید) می باشد، حمله می کنند و باعث تخریب باکتری می شود. در روش دیگر یون های مس) به عنوان کمک کننده به خاصیت فتوکاتالیستی (در داخل ذرات TiO2 لایه نشانی می شود و مکانیزم تخریب باکتری و ورود مس به داخل سیتوپلاسم را داریم که عمل تخریب باکتری سریعتر و در تابش نورکمتر انجام می شود (شکل 5)

 

شکل 5. تصویر شماتیک از فرایند تخریب دیواره سلولی باکتری E. Col توسط مس موجود بر روی فیلم نازک Cu/ TiO2 تحت تابش نور ضعیفUV4]  [

 

گونه های مسی که بر روی TiO2 لایه نشانی شده اند مخلوطی از فاز مس و یون های مس)Cu+, Cu+ 2( گزارش شده اند. موقعی که فیلم TiO2 /Cu مورد تابش قرار می گیرد یون های مس می توانند به فلز مس کاهش یابند و فلز مس می تواند به وسیله ی حفره و الکترون ها مرتبا به یون های مس اکسید شود. علاوه بر مس از نقره لایه نشانی شده بر روی TiO2 نیز برای از بین بردن میکروب ها استفاده شده است که نقره اثر ضد میکروبی بهتری را نشان داده است. امروزه استفاده از آجرهایی که برای کشتن باکتری ها به کار می روند می توانند در بیمارستان ها و وسایل مراقبتی برای کاهش شیوع عفونت و بیماری های خطرناک که سیستم ایمنی انسان را ضعیف می کند، مفید باشد. تعداد باکتری های دیواره ی اتاق عمل بعد از به کارگیری آجرهای فوتوکاتالیستی به عدد صفر کاهش پیدا کرد و باکتری های موجود در هوا نیز به میزان قابل توجهی تقلیل یافته است [4]

 

انواع نانوپوشش های سخت و مقاوم

نانوپوشش ها به دسته ایی از روکش ها اطاق می شود که دارای دو ویژگی زیر باشد:

  • در یکی از اجزای آن )ساختار یا اجزای سازنده( دارای ابعاد بین 1 تا 100 نانومتر باشد.
  • نسبت به حالت متداول دارای خواص ویژه و منحصر به فردی باشد. مانند خواص مطلوب مقاوم به سایش، فرسایش و خوردگی.

برای آشنایی بیشتر برخی از پوشش های مرسوم سنتی ونانوپوشش ها آورده شده است:

 

دسته بندی انواع پوشش های مرسوم و نانوپوشش های سخت و مقاوم

 

5. فوتوکاتالیست ها در قرن21
برای افزایش حساسیت فوتوکاتالیست به نور خورشید از روش اچ کردن((etchingاستفاده شده است که اچ کردن هم خاصیت آبدوستی سطح را افزایش می دهد و هم باعث افزایش خاصیت آب گریزی سطح می شود. افزایش خاصیت فوتوکاتالیستی TiO2 با افزایش سطوحی که TiO2 بر روی آن قرار خواهد گرفت افزایش پیدا می کند. یکی از روش ها، افزایش سطح این خلل و فرج در سطح است که به این عمل اچ کردن گویند. عمل اچ کردن به روش های مختلف از جمله استفاده از اسید یا تابش لیزر امکانپذیر است. زمانیکه سطح افزایش پیدا می کند، دانسیته ی گروه OH فیلم TiO2 افزایش پیدا می کند و این موضوع میزان آبدوستی را به شدت افزایش می دهد[4].

 

6. برنامه های کاربردی جدید زیست محیطی

 

1.6تصفیه آب
امروزه آلودگی محیط زیست از جمله آب، هوا و خاک به طور فزاینده ای به یک مشکل جدی تبدیل شده است. از سال 1970 گزارش های بسیاری با هدف استفاده از فوتوکاتالیست TiO2 برای از بین بردن آلودگی ها وجود داشته است. [1] ، با این حال عمل تصفیه که فضای سه بعدی لازم دارد به دو دلیل سخت تر از سطح دو بعدی مصالح ساختمانی است، یکی اینکه واکنش های فوتوکاتالیست واکنش های سطح هستند و در نتیجه واکنش دهنده باید با سطح فوتوکاتالیست درگیر شود و دیگر اینکه کل مقدار واکنش دهنده به طور کلی در فضای سه بعدی نسبت به دو بعد بیشتر است و برای تصفیه فضای سه بعدی انرژی نور بیشتری نیاز است. دانشمندان در زمینه ی تصفیه ی آب اصول بی شماری ایجاد کرده اند و در مطالعات مختلف سیستم ها، به خوبی آگاه هستند که پودر فوتوکاتالیست TiO2 باید در یک سوسپانسیون مایع پراکنده شود و بعد از فرایند تخریبی مواد آلوده توسط تابش نور uv پودر به صورت سوسپانسیون از آب جدا می گردد[4].
این سیستم ها به سختی کنترل می شوند و استفاده از فیلترها و دیگر روش ها به علت وجود ذرات نانو فلزی TiO2 نامؤثر بوده و هزینه های بالایی در پی دارند. در این زمان راکتورهایی طراحی شد که TiO2 بر روی سطح شیشه ها، سرامیک ها یا فلزات تثبیت می گردد. در حال حاضر علاقه ی زیادی به گسترش و بهبود راکتورهای بستر ثابت فیلم نازک (thin-film-fix-bed) وجود دارد، در این راکتورها فاضلاب صنعتی از روی مواد پوشش داده شده با TiO2 عبور داده می شود. به عبارت دیگر ما می توانیم به جای اینکه فضای سه بعدی مثل آب یا هوا را داشته باشیم، اجسام موجود را در یک سطح دوبعدی همانند جسمی که از تجزیه شدن در مصالح ساختمانی به وجود می آید به کار ببریم. برای از بین بردن آلودگی ها در آب به فوتوکاتالیست غیرمتحرک TiO2 و منبع uv که می تواند از خورشید یا لامپ های مصنوعی تهیه شود نیاز است، بنابراین هزینه های آن می تواند از سایر روش های اکسایش پیشرفته uv/H2O2، uv/O3 و فوتون کمتر باشد و به دلیل اینکه هیچ حد واسطی برای فرایند از بین بردن آلودگی وجود ندارد می توانند برای تمیزکردن آب محیط و حتی آشامیدنی به کار روند.[4]

 

2.6 تصفیه هوا
اکسایش فوتوکاتالیستی، آلودگی هوا را تجزیه و برطرف می کند. با استفاده از راکتورها حاوی TiO2 می توان مواد آلی را اکسید و به آب و دی اکسید کربن و مواد اولیه ی خود تبدیل کرد. این راکتورها در دمای اتاق و با فشار ناچیز عمل می کنند، بنابراین می توانند برای سیستم ها در هر شرایط هوایی و تهویه استفاده شوند. فیلتر این راکتورها که حاوی TiO2و پودر جاذب کربن فعال برای جذب کردن گازهای موجود در هوا می باشند. این فیلتر می تواند برای تمیزکردن هوا، بی بو کردن فضا و در نهایت برای تصفیه هوا در یخچال و آشپزخانه به کار رود. [4]

 

3.6 اصلاح آب برای سیستم های کشت هیدروپونیک (رشد و نمو گیاهان در آب مغذی برای تقویت آن)
در کشت های هیدروپونیک به علت وجود مواد آلی و نیتروژن و فسفر زیاد در آب این محیط، امکان وارد نمودن آب به فاضلاب وجود ندارد و بایستی این آب تصفیه شود. اما از آنجایی که نیتروژن و فسفر این آب در صورت بازیابی برای استفاده مجدد مفید می باشد، امروزه روش تصفیه فوتوکاتالیستی سیستم های کشت هیدروپونیک رایج شده است. فاضلاب از سیستم کشت هیدروپونیک گوجه فرنگی که در آن صفحات متخلخل سرامیکی پوشش داده شده با نانوذرات فوتوکاتالیست TiO2مورد استفاده قرار گرفته است عبور داده شد. آلاینده های آلی موجود در فاضلاب به راحتی در زیر نور خورشید تجزیه می شوند اما ترکیبات مغذی شامل نیتروژن، فسفر و پتاسیم این طور نیستند و از بین نمی روند، زیرا این ترکیبات بیشتر به شکل اکسیدهای خود حضور دارند. انتظار می رود که این سیستم ها به عنوان یک فناوری ذخیره سازی مواد غذایی به کار روند. [4]

 

4.6 از بین بردن ترکیبات آلی کلردار فرار(VCOC) از خاک
ترکیبات آلی کلردار فرار مانند تری کلرواتیلن و تتراکلرواتیلن برای تمیز کردن لبا س ها، بدون استفاده از آب و مواد شوینده(خشک شویی) و شستشوی نیمه هادی ها استفاده می شود. ورود این مواد به محیط باعث آلودگی خاک و آب های زیرزمینی می شوند. این نوع از آلودگی ها از مشکلات جدی محیط زیست هستند چون این مواد شیمیایی سمی و سرطان زا هستند. رایج ترین روش برای از بین بردن این آلودگی ها جایگزینی خاک با خاک تمیز و یا حرارت دادن خاک به منظور خروج VCOCS به هوا می باشد واضح است که این رو ش ها واقعا محیط زیست را خالص نمی کنند. محققان ورقه های فوتوکاتالیستی را برای خالص سازی خاک های آلوده طراحی کرده اند که آ نها را بر روی زمین قرار داده و با استفاده از نور خورشید همانطور که در شکل 6 نشان داده شده، این فرایند را انجام می دهند.

 

شکل6. سیستم تصفیه خاک آلوده با استفاده از انرژی خورشیدی و فوتوکاتالیست دی اکسید تیتانیوم

 

خاک آلوده شده به وسیله ی ورقه ای دوجداره که شامل هم پودر TiO2هم پودر جاذب کربن فعال است، پوشش داده می شود. سپس خاک پوشش داده شده با کلسیم کلرید مخلوط شده و گرم می شود، گازهای آلاینده ی تبخیرشده توسط کربن فعال به دام می افتد TiO2در این صفحات با واکنش های فوتوکاتالیستی به طور کامل آلودگی ها را تجزیه می کند. محققان اثربخشی این روش را برای یک محیط واقعا آلوده امتحان کرده و تأیید شده که VCOCS بعد از چند هفته به ترکیبات بی ضرر تبدیل شده اند. این روش می تواند یکی از فناوری های تصفیه واقعی محیط زیست باشد.[4]

 

5.6 بهره وری تبخیر آب از سطوح آب دوست
افزایش سریع جذب انرژی خورشیدی، به علت افزایش پوشش های سطح زمین توسط ساختارهای مصنوعی مانند ساختمان ها و جاده های آسفالت شده صورت می گیرد و افزایش در مصرف انرژی به علت انتشار حرارت از ترافیک اتومبیل ها و تهویه ی مطبوع در شهرهای بزرگ باعث افزایش درجه ی حرارت می شود، که به این پدیده جزیره ی گرمایی می گویند. روش مؤثر برای جلوگیری از پدیده ی جزیره ی گرمایی احداث مناطق سرسبز و یا مناطق آبی است. بنابراین کشت گیاهان روی پشت بام و یا ساخت دریاچه ی مصنوعی و یا باتلاق ها در حال حاضر در دست اقدام است. با این حال نمی توان زمینه هایی مثل احداث مناطق سرسبز یا سطوح آبی را به دلیل ارزش بالای زمین در مناطق شهری به راحتی دست آورد. محققان برای نگه داشتن آب بر روی سطح یک روش پیشنهاد کرده اند که در آن آب به صورت مداوم بر روی سطح ساختمانی که با فوتوکاتالیست TiO2 پوشانده شده است، عبور داده می شود. این سطوح با TiO2فوق آبدوست پوشش داده شده می تواند یک فیلم نازک 0.1 mm از آب را بر روی سطح خود نگه دارد و سطح ساختمان ها می تواند همانند یک دریاچه عمل کند.
این نکته مهم تأکید می کند که ساختمان ها و محیط اطراف، خود به خود با آب سرد نمی شوند بلکه جریان نهان تبخیر آب باعث کاهش دمای محیط می شود. آب برای تبخیر شدن از سطح احتیاج به گرما دارد و این گرما را از محیط می گیرد. لایه ی نازک آب به طور مؤثر دمای سطح ساختمان و دمای هوا را کاهش می دهد که مقدار شار نهان گرما برای خنک کردن فیلم نازک آب کاهش می یابد. از طرف دیگر سطوح مرطوب به راحتی کپک م یزنند اما از آنجایی که فوتوکاتالیست TiO2علاوه بر خاصیت آب دوستی، فعالیت ضد باکتریایی هم دارد، بنابراین در اینجا سطوح مشکلی ایجاد نمی کند. نتیجه خنک شدن ساختمان کاهش میزان مصرف برق برای هوای مطبوع می باشد. محققان این اثرات کمی را بر روی یک خانه و ساختمان واقعی اندازه گرفته اند و مشاهده کردند که مقدار برق مصرف شده تا چند ده درصد کاهش پیدا کرده است. بنابراین پوشش TiO2 همچنین می تواند به توسعه ی فناوری صرفه جویی انرژی کمک کند.[4]

 

برخی کاربردهای مهم تجاری شده نانوپوشش ها در صنعت پزشکی
کاربردهای نانوپوشش ها در صنایع پزشکی رنج وسیعی از جمله ابزارهای پزشکی )جراحی و دندانپزشکی(، ایمپلنت های ثابت و موقت، قطعات و تجهیزات مورد استفاده در صنایع داروسازی و سرم سازی و بسیاری از تجهیزات و قطعات الکترونیکی و مکانیکی دقیق را شامل می شود. حضور مایعات الکترولیتی در بدن انسان سبب شده است که محیط درونی بدن حتی برای آلیاژهای تیتانیوم و فولاد ضدزنگ بسیار خورنده و فعال باشد. همین موضوع وجود پوشش هایی را که دارای خواص مکانیکی مناسب بوده و از لحاظ شیمیایی به شدت خنثی باشند را ضروری می کند. مثا لهای معمول برای این موارد ایمپلنت های دندانی یا ارتوپدی نظیر مفاصل پوشش داده شده با کربن شب هالماس)DLC( یا دریچه های مصنوعی قلب می باشد. نانوپوشش TiN به علت دارا بودن خواص منحصر به فردی که دارد، جای خود را بیش از پیش در صنعت مهندسی سطح پیدا کرده است. از این نانوپوشش در بسیاری از تجهیزات و ابزارآلات پزشکی و دندانپزشکی، جراحی، تجهیزات و قطعات صنایع داروسازی، تیغ ها و چاقوها، ابزارهای برشی و صنایع تزیینی استفاده می شود.

 

 

اعمال پوشش بر روی ایمپلنت های پزشکی و دندا نپزشکی

تجهیزات و ادوات بیوپزشکی برای بهبود و ارتقاء کیفیت زندگی مردم طراحی شده اند. یک قطعه کاشته شده در بدن می بایست بدون نقص و عیب عمل کرده و دارای ویژگی های زیر باشد:

  • زیست سازگاری: خنثی بودن از لحاظ شیمیایی )غیرمغناطیسی، غیرهمولیتیک و عدم گرمازایی(  تا از پس زدن و یا رخ دادن واکنش های مضر جلوگیری شود.
  • اصطکاک پایین: سطوح در حال حرکت باید ضریب اصطکاک خیلی کمی داشته باشند.
  •  طول عمر بالا: تمامی سطوح یک قطعه کاشته شده در بدن باید دوام و مقاومت به خوردگی بالایی داشته باشند تا از عملکرد بدون مشکل و طولانی مدت آنها اطمینان حاصل کرد.

نانوپوشش های سخت و مقاوم، موارد فوق را به میزان بسیار قابل قبولی برای تمامی مواد متداول مانند فولا دهای زنگ نزن، تیتانیوم، سرامیک ها و دیگر مواد پیشرفته مورد استفاده در تجهیزات و ابزارآلات پزشکی فراهم نموده است.

 

 

اعمال نانوپوشش های سخت و مقاوم بر روی ابزارآلات جراحی
در عمل های جراحی، پزشکان جراح به ابزارآلاتی دقیق و با کارایی بالا نیاز دارند. جنس نانوپوشش مورد استفاده بر روی ابزارهای جراحی یک جزء مهم و کلیدی در عملکردشان می باشد. ابزارهای پوشش داده شده به روش PVD عملکرد بسیار خوبی را از خود نشان می دهند، زیرا نانوپوشش های تولید شده به این روش خواص سطحی ابزارها را بدون تغییر خواص توده موادشان تغییر می دهند. ابزارهای جراحی نانوپوشش دار براساس کاربردشان، خواص مهمی از جمله زیست سازگاری، غیر جهش زا بودن، غیرهمولیتیک بودن، عدم گرمازایی، مانع شیمیایی و عدم سمیت را از خود نشان می دهند. ابزارهای پوشش دهی شده تیزی لبه های ابزارهای جراحی را برای مدت طولانی حفظ می کند. ابزارهای پوشش دهی شده از لحاظ ظاهری و زیبایی سطح پوشش راحت تر قابل تشخیص هستند. نانوپوشش ها مزایای زیادی برای ابزارها و قطعات پزشکی ایجاد می نمایند که عبارتند از:

  • سختی و چسبندگی مناسب
  • مقاومت به سایش بالا
  • ضریب اصطکاک پایین
  • زیست سازگاری بالا
  • مانع شیمیایی
  • ظاهر زیبا

 

 

کاربرد نانوپوشش ها در صنعت بسته بندی محصولات پزشکی و دارویی
کاربرد پوشش دهی در فرآوری و بسته بندی در حوزه غذایی و پزشکی به دلایل بهداشتی بسیار حائزاهمیت می باشد. از این رو مهندسی پوشش ها، جهت افزایش عمرکاری قطعات ماشین آلات، بهینه سازی، بهبود خواص آنتی باکتریال و برطرف کردن مشکلات عملکردی مورد استفاده در این صنعت ضروری است. پوشش های ویژه برای بهبود خواص سطحی فلزات و دیگر زیرلایه ها برای برطرف کردن مشکلات سایش، خوردگی، خودروانکاری، قالب گیری در  صنایع پزشکی و دارویی مورد استفاده قرار می گیرند.

 

قبل از پوشش دهی

 

بعد از پوشش دهی

 

مجموعه کامل پروتز زانو از جنس آلیاژ تیتانیوم، آلومینیم و وانادیوم که جهت جلوگیری از ورود یونهای فلزی ایمپلنت ها به بافت با پوشش DLC لایه نشانی می‌شوند.

 

.7 نتیجه گیری

در این مقاله مروری بر توسعه فوتوکاتالیست TiO2 و چشم انداز آینده از جنبه ی علمی و فناوری توضیح داده شده است. جالب است بدانید که تحولات عمده در30 سال گذشته هر کدام در یک دهه رخ داده است. یعنی فوتوالکترولیز آب اثر فوجی شیما-هوند در اوایل دهه 1970 ، تولید هیدروژن در دهه 1980 و اثر فوتوکاتالیستی و هیدروفیلی TiO2 در سال 1990 مشخص شد. علاوه بر این، این دانش هنوز در قرن 21 در حال توسعه ی بیشتر است. ما باور داریم فتوکاتالیست TiO2 یکی از بهترین مثال هایی است که نشان می دهد چگونه در یک مقیاس زمانی از ده ها سال، می توان پایه دانش علمی را به حوزه ی فناوری توسعه یافته وارد کرد و یک صنعت جدید به ارمغان آورد.

  1. W. Barthlott, C.Neihuis, Planta, Vol.1, (1997).

  2. http://en.wikipedia.org/wiki/Lotus_effect

  3. M.Stamate, G. Lazar, Romanian technical sciences academy, Vol. 3, (2007).

  4. K. Hashimoto,H. Irie, A. Fujishima, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44, No. 12, (2005).

  5. A. Linsebigler, L. Guangquan, J. Yates, Jr., Chem. Rev. Vol.95, (1995).

  6. A. Fujishima, X. Zhang, D. A. Tryk, Surface Science Reports, Vol.63, (2008).

  7. J. Gamage, Z. Zhang, Hindawi Publishing Corporation International Journal of Photoenergy, Vol.2010, (2010).

  8. Sh.Lu, D.Wu, Q.Wang, J.Yan, A.G. Buekens, K. Cen, Chemosphere, Vol.82, (2011).

  9. S. N. Nalwa, Handbook of advanced Electronic and photonic Materials and Devices, Vol.5, USA: Acadmic press 2001.

  10. T. Ochiai, A. Fujishima, Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews, Vol. Xxx, (2012).

  11. K. H. Kim, S. K. Ihm, Journal of Hazardous Materials, Vol.186, (2011).

  12. A. Menard, D. Drobne, A. Jemec, Environmental Pollution, Vol.159, (2011).

  13. M. Pelaez, N. T. Nolan, S. C. Pillai, M. K. Seery, P.Falaras, A. G. Kontos, P. S.M. Dunlop, J. W.J. Hamilton, J.A.Byrne, K. O’Shea, M. H. Entezari, Dionysios D. Dionysiou, Applied Catalysis B: Environmental, Vol.125, (2012).

Share

آدرس ايميل شما:  
آدرس ايميل دريافت کنندگان  
 


 
رضا عباسی
 
تاريخ: نوزدهم آذر 1400 ساعت 13:55
 
توضيحات: با سلام و عرض ادب اینجانب نیاز به اطلاعات مربوط به روکش کردن فلزات با اکسید تیتانیوم هستم . لطفا راهنمایی بفرمائید . با تشکر رضا عباسی
qqqq


 تمامی حقوق معنوی این سایت متعلق به انجمن تیتانیوم ایران میباشد
 تمامی حقوق معنوی این سایت متعلق به انجمن تیتانیوم ایران میباشد