ثانى أكسيد التيتانيوم TiO2
- مادة ثاني أكسيد التيتانيوم رمزها الكيميائي TiO2 مادة ملونة غير عضوية شاهقة البياض ، مقاومة للتغير اللوني ، ولا تذوب في الماء أو الدهن كما أنها صعبة الذوبان جداً في الأحماض المركزة.
- يعتبر ثاني أكسيد التيتانيوم (النانوية الرأسية TUD-1) مادة نشطة ضوئياً يتم إستخدامها لعملية الحفز الضوئي تحت ظروف الضوء المرئي لإزالة مختلف المواد العضوية الملوثة مثل الفينول والأصباغ والأدوية من المياة الصناعية.
- تعرف فعالية ثاني أكسد التيتانيوم (TiO2) بأنه يعمل فقط تحت الطيف فوق البنفسجي. أما تفاعلية ثاني أكسيد التيتانيوم النانوية الرأسية (Ti-TUD-1) يعمل على طيف الضوء المرئي والذي يمكن تفسيره إذا أخذنا بالأعتيار اختزال فجوة النطاق (Bandgap) لثاني أكسيد التيتانيوم على مرفق رباعي السطوح لـــ TUD-1 في إطار تشكيل جزئيات نانوية صغيرة جداً من التيتانيا في فجوات TUD-1.
- الرابط التالي يوضح رسالة ماجستير لأحد طلبة الدراسات العليا فى جامعة الملك عبد العزيز:
حافزات كيميائية ضوئية لإزالة الملوثات العضوية من مياه الصرف الصناعي
عملية التحفيز الضوئي photocatalysis
- كلمة تحفيز ضوئي photocatalysis هي كلمة مركبة من جزئيين الجزء الاولphoto وتعني الضوء والجزء الثانيcatalysis وتعني التحفيز.
- تعتمد عملية التحفيز على مادة تعمل على زيادة معدل تحول المواد المتفاعلة بدون ان تتأثر هذه المادة او ان تستنزف تعرف هذه المادة باسم الـ catalyst أي المحفز. وتقوم بزيادة معدل التفاعل عن طريق تقليل طاقة التنشيط اللازمة له.
- عملية التحفيز الضوئي هي عبارة عن تفاعل يستخدم فيه الضوء كمنشط للمادة التي سوف تعمل على زيادة معدل التفاعل الكيميائي بدون ان يكون لها دور في التفاعل نفسه.
من بين مواد اشباه الموصلات الممكن استخدامها كمحفز ضوئي مادة ثاني اكسيد التيتانيوم Titanium Dioxide والذي له الرمز الكيميائي TiO2 وفجوة الطاقة في TiO2 هيEg = 3.2eV وهذه الطاقة تعادل طاقة فوتون له طول موجي يساوي388nm وهذا الفوتون يقع في مدى الاشعة فوق البنفسجية.
- يعتبر ثاني اكسيد التيتانيوم الانسب للاستخدام كمحفز ضوئي لعدة مزايا منها على سبيل المثال ان ثاني اكسيد التيتانيوم خامل، مقاوم للتأكل ويحتاج الى معالجة وتحضير اقل من غيره من اشباه الموصلات، وهذا يجعله متوفرا بسعر منخفض التكلفة. كما يمكنه التفاعل في ظروف عادية.
- في العام 2001 تمكن العالم الكيميائي Asahi في مختبرات Toyota في اليابان من تطعيم TiO2 بالنيتروجين والذي يعرف باسم التيتانيوم الاصفر والذي اظهر استجابة كبيرة في الضوء المرئي.
- حيث اتضح ان التطعيم بالنيتروجين ادى إلى تقليل فجوة الطاقة بين حزمة التكافؤ وحزمة التوصيل ليصبح بالإمكان استخدام ضوء طوله الموجي يتراوح بين 390 إلى 500nm.
- وعلى جانب اخر اجريت العديد من الابحاث العلمية لزيادة كفاءة التحفيز الضوئي بإضافة جسميات نانوية من المعادن النبيلة مثل الفضة والبلاتين والذهب في مادة ثاني اكسيد التيتانيوم. فقد وجد ان اضافة 1 الى 5% من الفضة ادى الى زيادة الكفاءة.
تجربة هامة
استخدام ثاني اكسيد التيتانيوم في صورة مسحوق لتنقية الماء هي طريقة فعالة ومستخدمة ولكن لها مشاكلها فبعد ان يقوم المسحوق بوظيفته وتنتهي عملية التنقية يتطلب التخلص من المسحوق من الماء وهنا تكمن المشكلة.
- كان الحل من خلال عمل فيلم سميك من حبيبات ثاني اكسيد التيتانيوم على شريحة من الزجاج باستخدام تقنية السول جيل Sol-Gel
- بعد ضبط نسب تركيز السول المستخدم لإنتاج الافلام وضبط ظروف التحضير بالتجربة والتحليل والدراسة تم صناعة افلام سمكية من حبيبات ثاني اكسيد التيتانيوم
- استخدمت هذة الافلام في دراسة تأثير ثاني اكسيد التيتانيوم كمحفز ضوئي على محلول مائي مذاب فيه صبغة الميثيل اورانج وذلك بوضع الفيلم المحضر في المحلول تحت اشعاع فوق بنفسجي ورصد تحلل الصبغة العضوية خلال الزمن.
الملاحظة: اختفاء اثر صبغة الميثيل اورانج في الماء بعد 4 ساعات من عملية التحفيز الضوئي