فهرست

رشد عمودی و منظم نانومیله های ZnO به روشی آسان: مکانیزم رشد و فعالیت فتوکاتالیستی آنها

نشریه: زمستان ۱۳۹۶ - مقاله 9   صفحات :  365 تا 380



کد مقاله:
nm-438

مولفین:
محمد زیرک: گروه فیزیک - دانشگاه حکیم سبزواری
علیرضا مشفق: دانشگاه صنعتی شریف -


چکیده مقاله:

در این تحقیق، به روشی ایمن و بسیار آسان، نانومیله¬های روی اکسید ZnO بصورت کاملا منظم و عمود بر روی زیرلایه¬ شیشه رشد داده شدند. ابتدا به روش سل ژل یک لایه¬ نازک دانه¬ای روی سطح شیشه ایجاد گردید. این دانه¬ها با قطر متوسط حدود nm 5 ± 100 هسته¬های رشد را برای نانومیله¬ها ایجاد کردند و باعث گردید نانومیله¬ها در فشار اتاق و دمای پایین ºC 70 به روش هیدروترمال و بدون استفاده از اتوکلاو رشد کنند. تاثیر بازی بودن محلول فرآیند هیدروترمال بر میزان و نحوه¬ رشد نانومیله¬ها ،از طریق تغییر غلظت NaOH بصورت کاملا مدون بررسی گردیده و مکانیزم رشد نانومیله¬ها پیشنهاد گردید. نتایج آنالیزها نشان داد که در غلظت¬¬های پایین NaOH کمتر از M 05/0 نانومیله¬ها رشد چندانی نداشته¬اند. از طرف دیگر در غلظت بالای NaOH بیشتر از M 12/0 نه تنها نانومیله¬ها رشد نکرده¬اند، بلکه لایه نازک دانه¬ای نیز خورده شده اند. در غلظت بهینه¬ی NaOH یعنی M10/0، نانومیله¬ها کاملا عمود بر زیرلایه و با آرایشی منظم و یکنواخت رشد کرده¬اند. بر اساس تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی، SEM، قطر متوسط نانومیله¬ها در نمونه¬ی بهینه nm 5 ± 70 و طول متوسط آنها تقرببا nm 10 ± 360 تعیین گردید. همچنین این نمونه بالاترین زبری سطح nm 1/23 را دارد. خاصیت فتوکاتالیستی نانولوله¬های سنتز شده از طریق تجزیه محلول متیلن آبی تحت تابش نور فرابنفش UV مورد بررسی قرار گرفت. نمونه¬ای که با غلظت بهینه¬ NaOH تهیه شده بود، بالاترین نرخ واکنش فتوکاتالیستی 1-min 0055/0 را از خود نشان داد. آرایش منظم و عمودی نانومیله¬ها در نمونه¬ بهینه، که مسیر معینی را برای حرکت حامل¬های بار ایجاد کرده و ترابرد الکترون¬ها را افزایش می¬دهد، به همراه سطح مؤثر بالا، که باعث افزایش مکانهای فعال واکنش¬های فتوکاتالیستی و همچنین افزایش جذب نور می¬شود، سبب شده است که این نمونه بالاترین خاصیت فتوکاتالیستی یک مرتبه بزرگی بیشتر از نمونه¬های دیگر را داشته باشد. مکانیزم و مطالب ارائه شده در این مقاله اطلاعات بسیار مفیدی را برای رشد عمودی و منظم نانوساختارهای یک¬بعدی ZnO به روشی کاملا آسان، ایمن و اقتصادی فراهم آورده است که برای کاربردهایی نظیر سلول¬های خورشیدی و وسایل اپتوالکترونیکی بسیار سودمند خواهد بود.


Article's English abstract:

A facile, safe and cost-effective technique has been used to grow ordered vertically aligned ZnO nanorods on glass substrate. At first, sol-gel method was employed to synthesize a ZnO seed layer. The seeds with average diameter of ~ 100 ± 5 nm act as nuclei for growth of nanorods. Then, ZnO nanorods grew on these seeds by using hydrothermal method at atmospheric pressure and temperature of 70 ºC. The effect of pH of hydrothermal solution on the growth of ZnO nanorods was studied by varying NaOH concentration. Atomic force microscopy AFM, scanning electron microscopy SEM and X-ray diffraction XRD results revealed that ZnO nanorods does not formed at low below 0.05 M and high above 0.12 M NaOH concentrations. Using optimum NaOH concentration 0.10 M, well ordered ZnO nanorods vertically grew up on glass substrate. Base on SEM images and AFM data analysis, the average diameter, average length and root mean square RMS surface roughness of optimally-grown ZnO nanorods were determined at 70 ± 5, 360 ± 10, and 23.1 nm, respectively. The photocatalytic PC activity of the synthesized samples was investigated through PC degradation of methylene blue. The sample prepared with NaOH0.10 M, exhibited a maximum PC activity with reaction rate constant of k0.0055 min-1. Ordered vertically aligned ZnO nanorods formed under the optimized conditions provide a straight forward pathway for photo-generated charge carriers leading to improved transport property. In addition, high surface area of this sample provides a better light absorption and more active catalytic reaction sites. The proposed procedure and related mechanism will provide useful information toward facile, safe and low cost preparation of highly ordered ZnO nanorods for many applications such as optoelectronics and solar cells.


کلید واژگان:
نانومیله های ZnO، آرایش منظم، سنتز آسان، مکانیزم رشد، فعالیت فتوکاتالیستی

English Keywords:
ZnO nanorods, vertically aligned, facile synthesis, growth mechanism, photocatalytic activity

منابع:

English References:
[1] M. Gra?tzel, "The rise of highly efficient and stable perovskite solar cells", Accounts of Chemical Research, 50, 487-491, 2017. [2] V. Karthikeyan, S. Maniarasu, V. Manjunath, E. Ramasamy, G. Veerappan, "Hydrothermally tailored anatase TiO2 nanoplates with exposed {111} facets for highly efficient dye-sensitized solar cells", Solar Energy, 147, 202-208, 2017. [3] U. Alam, A. Khan, W. Raza, A. Khan, D. Bahnemann, M. Muneer, "Highly efficient Y and V co-doped ZnO photocatalyst with enhanced dye sensitized visible light photocatalytic activity", Catalysis Today, 284, 169-178, 2017. [4] J. Wang, R. Chen, Y. Xia, G. Wang, H. Zhao, L. Xiang, S. Komarneni, "Cost-effective large-scale synthesis of oxygen-defective ZnO photocatalyst with superior activities under UV and visible light", Ceramics International, 43, 1870-1879, 2017. [5] N. Wang, M. Liu, H. Tan, J. Liang, Q. Zhang, C. Wei, Y. Zhao, E.H. Sargent, X. Zhang, "Compound homojunction: heterojunction reduces bulk and interface recombination in ZnO photoanodes for water splitting", Small, 13, 2017. [6] A. Fujishima, X. Zhang, "Titanium dioxide photocatalysis: present situation and future approaches", Comptes Rendus Chimie, 9, 750-760, 2006. [7] B. Bhanvase, T. Shende, S. Sonawane, "A review on graphene–TiO2 and doped graphene–TiO2 nanocomposite photocatalyst for water and wastewater treatment", Environmental Technology Reviews, 6, 1-14, 2017. [8] M. Samadi, M. Zirak, A. Naseri, E. Khorashadizade, A.Z. Moshfegh, "Recent progress on doped ZnO nanostructures for visible-light photocatalysis", Thin Solid Films, 605, 2-19, 2016. [9] M. Ebrahimi, M. Samadi, S. Yousefzadeh, M. Soltani, A. Rahimi, T.-c. Chou, L.-C. Chen, K.-H. Chen, A.Z. Moshfegh, "Improved solar-driven photocatalytic activity of hybrid graphene quantum dots/ZnO nanowires: a direct Z-Scheme mechanism", ACS Sustainable Chemistry



فایل مقاله
تعداد بازدید: 658
تعداد دریافت فایل مقاله : 70



طراحی پرتال (طراحی پورتال): آرانا نتورکطراحی پرتال (طراحی پورتال): آرانا نتورک