بررسي پرتو جذبي UV-Vis لايههاي نانوساختار رنگ تهيه شده 2TiO با استفاده از رنگدانههاي سيانيدين توتسياه بهروش سل ـ ژل

عليرضا رازقيزاده*+
تهران، دانشگاه پيام نور، دانشکده علوم، گروه فيزيک

الهام الهي
اهواز ،دانشگاه پيام نور استان خوزستان، دانشکده علوم، گروه فيزيک

وحدت رفيعي
تهران ،دانشگاه پيام نور، دانشکده علوم، گروه فيزيک

چكيده: در اين پژوهش اثر حساسسازي لايههاي نانوساختار 2TiO با استفاده از رنگ دانههاي سيانيدن موجود در توتسياه به روش سل ـ ژل بررسي شده است. براي اين منظور ابتدا لايههاي نانوساختار 2TiO برروي زيرلايه شيشه به روش لايهنشاني غوطهوري سل ـ ژل تهيه شـــده و سپس بــا استفاده از رنگدانههاي سيانيدين موجود در توتسياه حساسسازي شدند. ساختار بلوري و فازي اين لايهها و ريخت شناسي سطحي آنها، با استفاده از دستگاههاي XRD و FE-SEM مورد بررسي قرار گرفت. هدف اين پژوهش بررسي اثر متقابل بين نيمرسانا و رنگ بود، نتيجههاي به دست آمده از پرتو IR تأييد کننده پيوندهاي 2TiO در زيروژل تيتانيوم دياکسيد – سيانيدين ميباشد، که حضور رنگ در ساختار را تأييد ميکند. همچنين با توجه به پرتو جذبي UV-Vis ديده ميشود که بيشينه جذب در لايههاي حساس شده با سيانيدين به طولموج nm 595 افزايش يافته است، که تأييد کننده برهمکنش بين نيم رسانا و رنگ ميباشد.
واژههاي كليدي: نانوساختار؛ 2TiO ؛ لايهنشاني غوطهوري؛ سل ـ ژل، سيانيدين، منگنز.
KEYWORDS: Nanostructured; TiO2; Dip-coating; Sol-gel; Cyanidin; Manganese.

مقدمه
ميباشد [3 ـ 1]. اين ماده يک ماده ممتاز براي کاربردهاي فوتوشيميايي با رنگ [6]، لايههاي ضد بازتاب [7]، آشکارسازهاي گازي [8]،

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات *
3
تيتانيوم دياکسيد، مادهاي بيضرر و ايمن براي انسان و محيط زيست ميباشد، اين ماده بهواسطه داشتن يک شکاف نوار انرژي بهاندازه eV2/3 )در فاز آناتاز(، پايداري شيميايي چشمگيري با تعداد زيادي از حلالها در بازهي گستردهاي از pH، تراگسيلندگي و ضريب شکست بالا، داراي اهميت صنعتي بسياري و الکتريکينوري به حساب ميآيد 2TiO در سه شکل بلوري اصلي آناتاز، روتيل و بروکايت موجود است که فاز آناتاز آن از نظر فوتوشيميايي فعالتر است [5 ، 4]. لايههاي نانوساختار 2TiO نيز به دليل داشتن ويژگيهاي الکتريکي نوري مناسب از پتانسيل خوبي در ساخت وسايل الکترونيکي مانند سلولهاي خورشيدي ساخته شده نمايشگرهاي الکتروکروميکي [9]، موجبرهاي صفحهاي برخوردار است [11]. امروزه لايههاي نازک 2TiO از پتانسيـل خوبي در ساخت سلولهاي خورشيدي حساسشده با رنگ برخوردارند [12 ، 11].
اين سلولهاي خورشيدي که بهگروه سلولهاي خورشيدي لايهنازک تعلق دارند، برمبناي يک نيمرسانا و رنگ جاذب نور مرئي شکل گرفتهانـد و بههمراه يک فوتوآند حساسشده و يک الکتروليت، يک سامانه فوتوالکتروشيميايي را تشکيل ميدهند ،که نور مرئي را به الکتريسيته تبديل ميکند [13]. حساسسازي مواد نيمرساناي اکسيدي با نوار انرژي عريض بهوسيلــه حسگرهايي نوري مانند رنگ آلي که ميتوانند نور مرئي را جذب کنند، در اواسط قرن نوزدهم بهطور گستردهاي مورد مطالعه قرار گرفت .گريسچر و تيبوش يک الکترود نوري ZnO حساسشده با رنگهاي
آلي شامل رزبنگال، فلورسن و رودآمين بي را مــورد مطالعه قــرار دادنـد [15 ، 14]. امــا از آنجاييکه الکترود نوري استفاده شده نميتوانست مقدار زيادي رنگ را جذب کنـد و ايـن رنگهاي آلي نيز دامنه جذب محدودي در ناحيه مرئي داشتند، از اينرو بازده جذب نور در اين الکترود نوري پايين بود] 16[. بهمنظور بهبود بازده جذب نور، دو روش توسط پژوهشگران اين رشته بهکار گرفته ميشود.
ابتدا توسعه فوتوالکترودهايي با مساحت سطح بزرگتر که بتوانند مقدار بيشتري رنگ جذب کنند و ديگري ساخت يک فوتوحساس کنندهي رنگي، با دامنه جذب پهنتر بوده است .
سلولهاي خورشيدي بر پايه 2TiO حساس شده به رنگ، نخستين بار توسط گرتزل و همکاران مورد توجه قرار گرفت [17]. بعدها نيز پيشرفتهاي مهمي در ساخت اين سلولها بهدست آمد [18].
آنها با استفاده از الکترودهاي لايهنازک 2TiO نانو متخلخل که به مقدار زيادي فوتوحساسکننده رنگي را جذب ميکنند و همچنين ساخت حساس کننده نور رنگي Ru)1( که ظرفيت جذب نور مرئي و فروسرخ از 411 تا nm 911 را دارد، به بازده تبديل انرژي خورشيدي 7 تا11% رسيدند در ساخت اين سلولها ، از ساختارهاي نانوبلوري 2TiO به قطر nm111 ـ 51 بهعنوان يک شبکه حساس شده با رنگ استفاده شده است. زيرا 2TiO، بهدليل داشتن شکاف نوار انرژي پهن، فقط در تابش ناحيه نور فرابنفش که درصد کمي از تابش مؤثر نور خورشيد ميباشد ، ميتواند فرايندهاي اکسايشي- کاهشي فوتوشيميايي را انجام دهد.
در نتيجه يک روش مؤثر براي رفع اين عيب، لنگرکردن رنگينهها ،روي نيمرسانا ميباشد. حساسکنندههاي مولکولي پيوست شده
2 پژوهشي
-4305241505

بهسطح نيمهرسانا براي جذب بخش بيشتري از نور خورشيداستفاده ميشوند. عملکرد لايههاي نانوساختار حساسشده با رنگ ،دراساس وابسته به رنگ مورد استفاده بهعنوان حساسکننده نوري ميباشد. برخي مولکولهاي رنگي مهم شامل يک اتم فلز Ru و يک ساختار آلي ميباشند [19 ، 18]، که همانگونه که پيشتر گفته شد، توسط گرتزل و همکاران مورد استفاده قرار گرفت .
اين حساسکننده نوري هرچند تأمين کننده ويژگيهاي مورد نياز مانند دامنه جذب وسيع، تزريق گسترده الکترون و پايداري ميباشد ولي شامل يک فلز سنگين است که از نظر زيست محيطي ناخواسته ميباشد .همچنين فرايند ترکيب اين کمپلکسها بسيار پيچيده و پرخرج است [23 ـ 21]. از اين رو علاقه زيادي بهاستفاده از رنگدانههاي طبيعي وجود دارد که بهآساني و با کمترين روشهاي شيميايي، از ميوهها، گياهان و گلها عصاره گيري ميشود [25 ، 24].
از برتريهاي ديگر استفاده از رنگدانههاي طبيعي ،دردسترسپذير بودن آنها و قيمت ارزان آنها ميباشد ،همچنين سلولهاي ساخته شده بر پايه آنها، داراي بازده قابل پذيرشي ميباشند [28 ـ 26]. هر مولکول رنگي افزوده شده به شبکه 2TiO بهصورت يک لايه تکمولکولي برروي ساختار نانو بلوري شکل خواهد گرفت. زماني که نور فرودي
به شبکه 2TiO حساسشده با رنگ برخورد ميکند ، موجب تحريک الکترونهاي موجود در رنگ ميشود. سپس الکترونهاي تحريک شده ،به تندي بهواسطه فرايند معروف بهتزريق الکترون، بهنوار رسانش اکسيد نيمرسانا تزريق ميشوند و سبب ميشوند که اکسيد نيمرسانا بتواند طيف نور در ناحيه مرئي را جذب کند. معادلههاي )1( و) 2( فرايند تحريک الکترون موجود در رنگ و تزريق آن بهنوار رسانش
2TiO را نشان ميدهند.
)1( *hDye Dye )2( Dye*TiO2  e (TiO )2 Dye در اين پژوهش مولکول رنگي سياندين بهعنـوان مـاده اوليـهبراي حساسکننده نوري رنگي، در نظر گرفته شد. اين بهدليـل سـاختارساده، پالايش ساده آن نسبت به ديگر رنگدانههاي طبيعـي مـيباشـد.
از ديگر ويژگيهاي مفيد آن جذب عالي نـورمرئي در بـازه ي nm 521 ميباشد]29[. بهمنظور بررسـي فراينـد حسـاسسـاز ي لايـ ههـا ي نانوساختار 2TiO، اين لايههاا به روش لايهنشاني غوطهوري سل ـ ژل ،
)1( Ruthenium
برروي زيرلايه شيشه تهيه شدند و بهمدت يک شبانه روز درون عصـارهتوت خيسانده شدند، بهايـن ترتيـب مولکـولهـاي رنگـي سـيانيدينموجود در توتسياه بهسطح 2TiO پيوست شده و همانگونـه کـهشرح داده شد، سبب ميشوند که لايههاي نانوساختار 2TiO بتواننـدپرتو نور را در ناحيه مرئي جذب کنند. بهمنظور بررسـي سـاختار بلـوري و فــازي ايــن لايــه هــا و ريخــت شناســي ســطحي آنهــا ، از دستگاههاي XRD و FE-SEM استفاده شد. سـرانجام بـرهم کـنشبين نيمرسـانا و رنـگ بـه وسـيله پرتوسـنجي UV-Vis و FT-IR مورد مطالعه قرار گرفت.

بخش تجربي
آمادهسازي زيرلايه
تميزبودن زيرلايه، کيفيت لايه را تعيين مـ يکنـد و همچنـين گرد و غبار و چربي نشسته روي زيرلايه باعث غيريکنواختي لايـ ه تشکيل شده ميشود، از اينرو اولين شـر اساسـي در ايـ ن روش تميز بودن زيرلايه ميباشد. در اين پـژوهش از شيشـه )لامـل معمـولي بهدليل قيمت تمام شده پايين براي فـراورده ي پايـاني ( بـه عنـوانزيرلايه استفاده شده است. بهمنظور تميزکردن زيرلايهها، پـس ازشستشوي آنها بهوسيله آب و مـاده شـو ينده، آنهـا بـراي مـدت ي در محلول شامل آب، اتانول)%96( و مادهيشوينده، با نسـبت حجمـ ي تقريبي 10110111، قرار داده شدند. سپس زيرلايههـا، در آب گـرمحمام فراصـوت )دسـتگاه اولتراسـونيک مـدل Up200H سـاختشرکت Hielscher( )حدودً °C 51( بهمدت 21ثانيه مورد عمليـ ات جداسازي ناخالصي با استفاده از امواجصوتي قرار گرفت ،همچنـين براي خشک کردن آنها از آون)آون الکتريکي با بيشترين دمـا ي کارکرد °C 251 مدل Heraeus( استفاده شد .دوباره زيرلايـ ههـا ي خشک شده براي 21ثانيه با اسـتون) %96( و همچنـ ين بـا اتـانول، م ورد عملي ات جداس ازي ناخالص ي ب ا اس تفاده از ام واجص وتي قرار گرفتند و اين چرخه شستشو چندين مرتبه تکرار شد، تا زير لايـ ههـا به طور کامل تميز شود.

تهيه سل
در ايــن پــژوهش، از تيتــانيوم ايزوپروپکســايد)مرک ،9/99%،
بهمدت 31 دقيقه در دماي اتاق توسـط همـزن منناطيسـ ي)مگنت و لايه نانوساختار 2TiO درون ظرف داراي عصاره توتهاي له شده
5
4[2(3Ti[OCH(CH(براي آمادهسازي سل شـفاف 2TiO در دمـا ي اتاق اسـتفاده شـد . بـه ايـ ن ترتيـ ب کـه ابتـدا mL 23/4 تيتـان يوم ايزوپروپکسايد بـه mL 21 اتـانول )مـرک،9/99%( افـزوده شـد و منناطيسي و استيرر) Hot Plate( مــدل Genway1111( هـ مزده شـد ،تا محلول پيشماده اوليه بهدست آيد. سپس mL 26/1 آب مقطر و mL 4/3 استيک اسيد )مرک ،9/99%( و mL 5 اتانول مخلو شـد و بهمحلول پيشماده اوليه بـه صـورت قطـره قطـره و بـا سـرعت يک قطره در هر ثانيـ ه و در شـرا يط هـم زدن منناطيسـ ي افـزوده شـد.
سرانجام بهمدت 1ساعت با همزن منناطيسي خـوب هـمزده شـد.
بهاين ترتيب سل شفاف 2TiO بهدست آمد. در اين محلول اتـانولبهعنوان حلال و استيک اسيد بهعنوان پايدارساز براي جلوگيري از چسبيدن ذرهها بهيکديگـر ميباشد. بايد توجه شـود کـه در زمـان لايهنشاني نيز محلول بايد شفاف و يکنواخت بماند و رسوب نکنـددر غير ايـ ن صـورت دانـههـا بـهطـور يکنواخـت کنـار يکديگــر قــرار نميگيرند و لايه يکنواختي روي زيرلايه تشکيل نميشود.

فرايند لايهنشاني
براي لايهنشاني از فناوري غوطهوري بـا دسـتگاه غوطـهوري استفــاده شد.
بهاين ترتيب که زيرلايه شيشهاي تميزشده با سرعت ثابـت ومورد نظر در داخل ظرف داراي سل فروبرده شد و بهمـدت 11 دقيقـه در سل نگه داشته شد، سپس با همان سرعت خارج شد. بهمنظـورخشک کردن نمونهها، آنها بهمـدت 45 دقيقـه در آون در دمـا ي C° 111 قرار گرفت. اين مراحل براي رسيدن به لايه يکنواخـت وبا ضخامت دلخواه)2لايه ،3لايه و يا بيشتر( تکرار شد.

عمليات گرمايي
در اين مرحله نمونههاي تهيه شده بهکوره )کورهي الکتريکـ ي ب ا ب يشت رين دم اي ک ارکرد C° 1111 م دل Thermal ، LentonDefigns( منتق ل شـده و ب هم دت 2س اعت در دم اي C° 511 در عمليات گرمايي قرار گرفتند، زيرا حذف همه پسماندهاي آلـي در دماي کمتر از C° 511 امکـان پـذ ير نمـ يباشـد] 29[ همچنـين در اين پژوهش بهدلايلي که در بخشهاي بعدي بـه آن پرداختـهخواهد شد، فاز آناتاز 2TiO مـورد نظـر بـود و ايـ ن فـاز در دمـاي C° 511 غالب است و با افزايش دماي پخت فاز آناتـاز بـه روتيـ ل تنيير شکل ميدهد]31[.
سرانجام از رنگدانههاي سيانيدين موجود در توتسـ ياه بـرا ي حساسسازي لايههاي نانوساختار 2TiO استفاده شد، بهاين ترتيب که ابتدا ميوه تـازه توتسيــاه در يک ظـرف بـهخـوب ي لـه شـده
جدول 3ـ اندازه ريزبلورکهاي محاسبه شده بـا اسـتداده از مداد ـهي دباي ـ شرر.

D(nm)

(
hkl
)

FWHM

(
˚
)
θ
2

38
/
13

(
111
)

6111
/
1

4292
/
25

535

555

2
35

255

335

355

35

5

شدت

D(nm)

(

hkl

)

FWHM

(

˚

)

θ

2



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید