Stanovení fotoindukovaných vlastností (rozklad modelové látky Acid Orange 7)

Podobné dokumenty
Plazmatické metody pro úpravu povrchů

PŘIPRAVENÉ METODOU MAGNETRONOVÉHO NAPRAŠOV

Obsah přednášky. princip heterogenní fotokatalýzy

Fotokatalytická oxidace acetonu

METODA PRO TESTOVÁNÍ FOTOKATALYTICKÉ AKTIVITY MATERIÁLŮ

Cvičení k předmětu Metody studia fotochemických procesů (KTEV / 2MSFP) (prozatímní učební text, srpen 2012)

Fotokatalytické účinky oxidu titaničitého. Nina Janásová

Molekulová spektroskopie 1. Chemická vazba, UV/VIS

Vybrané procesy potravinářských a biochemických výrob

SPEKTROMETRIE. aneb co jsem se dozvěděla. autor: Zdeňka Baxová

Příprava vrstev metodou sol - gel

Využití heterogenní fotokatalýzy pro zpracování vod obsahující azobariva technické a ekonomické překážky. Marek Smolný, Kristýna Süsserová, Jiří Cakl

Radiační odstraňování vybraných kontaminantů z podzemních a odpadních vod

SPEKTROSKOPICKÉ VLASTNOSTI LÁTEK (ZÁKLADY SPEKTROSKOPIE)

ČISTÍCÍ ENERGIE SVĚTLA

Měření šířky zakázaného pásu polovodičů

Chemické metody přípravy tenkých vrstev

Základní typy článků:

Plazmová depozice tenkých vrstev oxidu zinečnatého

APLIKACE FOTOKATALYTICKÝCH PROCESŮ PRO ČIŠTĚNÍ KONTAMINOVANÝCH VOD

E g IZOLANT POLOVODIČ KOV. Zakázaný pás energií

Test vlastnosti látek a periodická tabulka

Vakuová technika. Výroba tenkých vrstev vakuové naprašování

Kyslík a vodík. Bezbarvý plyn, bez chuti a zápachu, asi 14krát lehčí než vzduch. Běžně tvoří molekuly H2. hydridy (např.

Funkční tenké vrstvy pro aplikace využívající pokročilé oxidační procesy

Katedra chemie FP TUL Chemické metody přípravy vrstev

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

fenanthrolinem Příprava

4. Stanovení teplotního součinitele odporu kovů

CEMENTOVÉ SMĚSI S TiO 2 PRO GRC KOMPOZIT

1. Řešitelský kolektiv: VŠCHT Praha: Prof. Dr. Ing. Josef Krýsa Ing. Jiří Zita, PhD Ing. Martin Zlámal

VYUŽITÍ UV ZÁŘENÍ A OZONIZACE PŘI ODSTRAŇOVÁNÍ LÉČIV

DOUTNAVÝ VÝBOJ. 1. Vlastnosti doutnavého výboje 2. Aplikace v oboru plazmové nitridace

NANOTECHNOLOGIES FOR NEW MATERIALS, INNOVATIONS AND A BETTER LIFE. FN-NANO s.r.o.

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Plazmové metody. Základní vlastnosti a parametry plazmatu

ZŠ ÚnO, Bratří Čapků 1332

Přehled metod depozice a povrchových

1. Kvantové jámy. Tabulka 1: Efektivní hmotnosti nosičů v krystalech GaAs, AlAs, v jednotkách hmotnosti volného elektronu m o.

Rentgenová spektrální analýza Elektromagnetické záření s vlnovou délkou 10-2 až 10 nm

Poškození strojních součástí

Povrchová úprava bez chromu Cr VI

Plazma v technologiích

Vybrané spektroskopické metody

Fotovoltaické systémy

INFRAČERVENÁ SPEKTROMETRIE A BIOSLOŽKY PALIV

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

ELEKTROLÝZA. Autor: Mgr. Stanislava Bubíková. Datum (období) tvorby: Ročník: osmý

Nauka o materiálu. Přednáška č.10 Difuze v tuhých látkách, fáze a fázové přeměny

Laboratorní práce č. 8: Elektrochemické metody stanovení korozní rychlosti

ÚSTAV ORGANICKÉ TECHNOLOGIE

TECHNOLOGICKÉ PROCESY PŘI VÝROBĚ POLOVODIČOVÝCH PRVKŮ III.

Vytváření tenkých speciálních vrstev metodou plazmochemické depozice z plynné fáze

FOTOKATALYTICKÁ AKTIVITA TIŠTĚNÝCH VRSTEV OXIDU TITANIČITÉHO

ELEKTRICKÝ PROUD ELEKTRICKÝ ODPOR (REZISTANCE) REZISTIVITA

EXPERIMENTÁLNÍ OVĚŘENÍ FOTOKATALYTICKÉHO PŮSOBENÍ TIO2 V BETONECH EXPERIMENTAL VERIFICATION OF PHOTOCATALYTIC ACTIVITY OF TIO2 IN CONCRETE

kde k c(no 2) = 2, m 6 mol 2 s 1. Jaká je hodnota rychlostní konstanty v rychlostní rovnici ? V [k = 1, m 6 mol 2 s 1 ]

Chemická kinetika. Chemické změny probíhající na úrovni atomárně molekulové nazýváme reakční mechanismus.

r W. Shockley, J. Bardeen a W. Brattain, zahájil epochu polovodičové elektroniky, která se rozvíjí dodnes.

Nano a mikrotechnologie v chemickém inženýrství. Hi-tech VYSOKÁ ŠKOLA CHEMICKO-TECHNOLOGICKÁ V PRAZE ÚSTAV CHEMICKÉHO INŽENÝRSTVÍ

Diagram Fe N a nitridy

ČIŠTĚNÍ A PŘEDÚPRAVA PROCESNÍCH A ODPADNÍCH VOD Z VÝROBY PAPÍRU ELEKTROCHEMICKÝM - FENTONOVÝM PROCESEM

Úvod do fyziky plazmatu

STANOVENÍ PROPUSTNOSTI OBALOVÝCH MATERIÁLŮ PRO VODNÍ PÁRU

Emise vyvolaná působením fotonů nebo částic

Gymnázium Jiřího Ortena, Kutná Hora

Jiří Oswald. Fyzikální ústav AV ČR v.v.i.

SPEKTRÁLNÍ METODY. Ing. David MILDE, Ph.D. Katedra analytické chemie Tel.: ; (c) David MILDE,

5. Vedení elektrického proudu v polovodičích

Fentonova oxidace ve zkrápěném reaktoru za kontinuálního a periodického nástřiku

2.6. Koncentrace elektronů a děr

Úvod do koroze. (kapitola, která bude společná všem korozním laboratorním pracím a kterou studenti musí znát bez ohledu na to, jakou práci dělají)

Fotosyntéza (2/34) = fotosyntetická asimilace

1. Příloha 1 Návod úlohy pro Pokročilé praktikum z biochemie I

Glass temperature history

1. Změřte Hallovo napětí v Ge v závislosti na proudu tekoucím vzorkem, magnetické indukci a teplotě. 2. Stanovte šířku zakázaného pásu W v Ge.

Reakční kinetika. Nauka zabývající se rychlostí chemických reakcí a ovlivněním rychlosti těchto reakcí

Obr Teplotní závislost intrinzické koncentrace nosičů n i [cm -3 ] pro GaAs, Si, Ge Fermiho hladina Výpočet polohy Fermiho hladiny

Nanokrystalické tenké filmy oxidu železitého pro solární štěpení vody

COMPARISON PROPERTIES AND BEHAVIOUR OF SYSTEM WITH THIN FILMS PREPARED BY DIFFERENT TECHNOLOGIES

DIGITÁLNÍ UČEBNÍ MATERIÁL. Název školy SOUpotravinářské, Jílové u Prahy, Šenflukova 220 Název materiálu INOVACE_32_ZPV-CH 1/04/02/19 Autor

ANALÝZA POVLAKOVANÝCH POVRCHŮ ŘEZNÝCH NÁSTROJŮ

Opakování: shrnutí základních poznatků o struktuře atomu

Úvod do laserové techniky KFE FJFI ČVUT Praha Michal Němec, Plynové lasery. Plynové lasery většinou pracují v kontinuálním režimu.

INSTRUMENTÁLNÍ METODY

- Rayleighův rozptyl turbidimetrie, nefelometrie - Ramanův rozptyl. - fluorescence - fosforescence

Testování fotokatalytické aktivity nátěrů FN z hlediska jejich schopnosti odbourávání polutantů ze vzduchu dle následujících ISO standardů:

Ústřední komise Chemické olympiády. 53. ročník 2016/2017. TEST ŠKOLNÍHO KOLA kategorie D. ZADÁNÍ: 70 BODŮ časová náročnost: 120 minut

Základy fotometrie, využití v klinické biochemii

Stanovení fotokatalytické aktivity vzorků FN1, FN2, FN3 a P25 dle metodiky ISO :2013

TERMOFYZIKÁLNÍ VLASTNOSTI. Radek Vašíček

Ústřední komise Chemické olympiády. 55. ročník 2018/2019 TEST ŠKOLNÍHO KOLA. Kategorie E ZADÁNÍ (60 BODŮ) časová náročnost: 120 minut

Chemické metody plynná fáze

Chování látek v nanorozměrech

Prášková metalurgie. 1 Postup výroby slinutých materiálů. 1.1 Výroba kovových prášků. 1.2 Lisování pórovitého výlisku

Úloha č. 1: CD spektroskopie

FUNKČNÍ POVRCHOVÉ VRSTVY

Transkript:

Stanovení fotoindukovaných vlastností (rozklad modelové látky Acid Orange 7) Oxid titaničitý TiO 2 Titan je sedmým nejrozšířenějším kovem v zemské kůře. V malém množství je obsažen ve většině minerálů a mezi jeho nejvýznamnější rudy patří ilmenit - (FeTiO 3 oxid železnatotitaničitý) a rutil (TiO 2 - oxid titaničitý). Titan je zastoupen i na měsíčním povrchu horniny, které získala mise Apollo 17 obsahují přibližně 12 % TiO 2. Prakticky nejvýznamnější sloučeninou titanu je oxid titaničitý (TiO 2 ). Jedná se o velmi stabilní sloučeninu s teplotou tání 1870 C, která se v přírodě nachází ve třech krystalických modifikacích, kterým odpovídají 3 různé minerály rutil, anatas a brookit. [1-4] Obr.1 Přírodní podoba rutilu[5] Přírodní podoba anatasu [6] Přírodní podoba brookitu [7] Vlastnosti tenkých vrstev TiO 2 Nejvýznamnějšími vlastnostmi tenkých vrstev oxidů titanu TiO 2 jsou: 1. poměrně vysoká tvrdost, 2. vynikající odolnost proti otěru, 3. vynikající odolnost proti korozi, 4. nízký koeficient tření, 5. transparentnost, 6. chemická inertnost, 7. možnost vytvářet nestechiometrické sloučeniny v širokém rozsahu, 8. polovodičová vodivost, 9. vybrané optické vlastnosti transmise ve viditelné oblasti a reflexe v infračervené oblasti spektra [8], 10. fotokatalytické vlastnosti a superhydrofilita [9]. Tyto vlastnosti lze využít v řadě praktických aplikací. Tenké vrstvy TiO 2 se dnes používají jako dekorační, otěruvzdorné, antifrakční a mechanicky odolné povlaky.

Třebaže tenké vrstvy TiO 2 již umožnily realizovat řadu aplikací, možnosti povlaků ještě nejsou zdaleka vyčerpány. Vlastnosti nestechiometrických TiO 2 vrstev nejsou zatím uspokojivě prostudovány. To úzce souvisí s tím, že každé kombinaci parametrů depozičního procesu odpovídají určité vlastnosti vytvářených vrstev. Změna některého depozičního parametru může silně ovlivnit nejen plazmochemické procesy probíhající v depoziční nádobě, ale i kondenzaci částic na substrátu. Důsledkem takové, někdy velmi nepatrné, změny může být značná změna vlastností vytvářených vrstev. Z toho je patrná obtížnost optimalizace vlastností vrstev, jejich reprodukovatelné přípravy a nemožnosti jednoduchého přenesení technologického postupu z laboratorního zařízení do velkého průmyslového zařízení. Tyto klíčové problémy přípravy tenkých vrstev lze řešit jedině na základě detailního studia a pochopení fyzikálních procesů probíhajících v depoziční nádobě, včetně procesů probíhajících na substrátu [10]. Pojem systém tenká vrstva substrát se zavedl v okamžiku, kdy se tloušťka materiálu snížila natolik, že poměr povrchu k objemu značně vzrostl. Tehdy začaly mít podstatný vliv na vlastnosti této vrstvy povrchové děje, které se diametrálně odlišují od stavů vnitřních. Z tohoto důvodu je třeba vrstvu i substrát zkoumat jako systém, neboť vlastnosti substrátu (fázové a chemické složení, pnutí, mikrostruktura, homogenita atd.) mají výrazný vliv na konečné vlastnosti systému tenká vrstva substrát. Z toho vyplývá, že je třeba sledovat nejen kvalitu samotné tenké vrstvy, ale i děje, které jsou depozičními, popř. předdepozičními procesy v substrátu iniciovány [11]. Fotokatalytické vlastnosti a hydrofilita TiO 2 vrstev Během fotokatalytické reakce vrstva TiO2 absorbuje UV záření a dochází k vygenerování párů elektron-díra. Vzniklé páry mohou následně reagovat s kyslíkem, přítomným v zemské atmosféře a vodou (vzdušnou vlhkostí), za vzniku hydroxylových radikálů ( OH) a superoxidových aniontů ( O2-), které způsobí rozklad přítomných organických látek (heterogenní fotokatalýza). Vzniklé páry elektron-díra mohou také přímo rozkládat látky absorbované na povrchu fotokatalyzátoru (homogenní fotokatalýza) [12] Důsledkem absorbce UV záření TiO2 fotokatalyzátorem je, kromě výše zmíněného rozkladu organických látek, také reakce vedoucí k tvorbě povrchových OH skupin. Přítomnost OH skupin zvyšuje povrchovou energii, což vede ke zvýšení hydrofility povrchu. [13] Oxid titaničitý, který má strukturu anatasu, vykazuje vyšší fotokatalytickou aktivitu než ostatní formy TiO 2. Jedna z příčin spočívá v rozdílech struktur energetických pásů. Energie zakázaného pásu pro polovodič určuje minimální energii světla požadovanou k tomu, aby bylo možné vybudit elektrony z valenčního pásu do pásu vodivostního. Pro oxid titaničitý ve formě anatasu je tato energie 3,2 ev (elektronvolt), což odpovídá UV světlu o vlnové délce 388 nm, zatímco energie zakázaného pásu pro formu rutilu je 3,0 ev, což odpovídá UV světlu o vlnové délce 413 nm viz obr. 7. V technické terminologii označuje energie zakázaného pásu pro polovodič minimum energie potřebné k přeskoku elektronů z valenčního pásu do pásu vodivostního, což může vyvolat vznik elektrické vodivosti (fotokonduktivity). Ve valenčním pásu vznikají tzv. díry, které jsou způsobeny nepřítomností elektronů. Tyto díry mohou

reagovat s vodou a vytvořit tak vysoce reaktivní hydroxylový radikál ( OH). Díry i hydroxilové radikály jsou velmi silná oxidační činidla. Obr.2 Energetický diagram pro TiO 2 a důležité elektrochemické potenciály [12] Fotokatalytická reakce začíná vystavením oxidu titaničitého světlu a probíhá vždy za přítomnosti vzdušného kyslíku. Poté, co je světlo absorbováno oxidem titaničitým, vznikají dva typy nosičů nábojů elektrony (e-) a díry (h+). Ve vodivých materiálech, tzn. v kovech, jsou tyto páry nábojů bezprostředně rekombinovány. Na polovodičích jako je TiO2 však existují po delší časové období. Poměr rychlosti rekombinace elektronů a děr k rychlosti tvorby párů elektron díra je dobrým indikátorem maximální účinnosti fotokatalytického rozkladu přiléhajících (adsorbovaných) molekul vody (vzdušná vlhkost). Když jsou tyto adsorbované molekuly zoxidovány děrami, vytváří se hydroxilové radikály ( OH). Tyto radikály pak mohou reagovat s organickými sloučeninami, vytvářejíce z počátku volné radikály (nestabilní molekuly, které mají jeden nespárovaný elektron). Přítomný molekulární kyslík má také nespárované elektrony, a proto ochotně reaguje s těmito volnými radikály. Vytváří organické peroxidové radikály, které k tomu, že obsahují nespárovaný elektron, obsahují nyní také dva kyslíky, a mohou se tudíž účastnit řetězových reakcí a rozkládat organické materiály [12]. Zadání: U tenkých vrstev TiO 2 deponovaných metodou PECVD změřte rychlostní koeficient fotokatalytické degradace metodou rozkladu organického barviva AO7. Pomůcky Organické barvivo ACID ORANGE 7 (AO7) o koncentraci 0,035 mmol UV zářivka (výkon 13 W, vlnová délka 365 nm) magnetická míchačka UV/VIS spektrofotometr Petriho misky s víčky, pipeta, pinzeta, čistící tampónky, uzavíratelné nádobky isopropylalkohol, destilovaná voda

Postup Obr.3 Pětimístná magnetická míchačka Vzorky očistěte v parách isopropylalkoholu a osušte Vložte vzorky do Petriho misky s 25 ml organického barviva Acid Orange 7 a překryjte víčkem Misky se vzorky umístěte na magnetickou míchačku pod UV zářivku Po ukončení ozařování vzorky vyjměte z misek a roztok organického barviva přelijte pomocí pipety do uzavíratelných nádobek Odpařené množství roztoku barviva doplňte destilovanou vodou na původní množství 25 ml Na UV/VIS spektrofotometru změřte koncentraci rozloženého roztoku barviva a srovnejte ji s koncentrací původního roztoku AO7 Z rozdílu koncentrací vypočtěte rychlostní koeficient fotokatalytické degradace Výpočet fotokatalytické aktivity Předpoklad: reakce je zpočátku reakcí 1. řádu, tzn. monomolekulární reakce, zanedbává se vliv meziproduktů, které jak bylo prokázáno neabsorbují ve sledované oblasti spektra. [14] Rychlost reakce je v takovém případě přímo úměrná koncentraci, viz. rovnice dc K R c (1) dt kde KR je hledaný rychlostní součinitel reakce a c je koncentrace. Po integraci dostáváme rovnici ve tvaru ln( c) K R t c (2) 0 kde c 0 je počáteční koncentrace. Řešením rovnice (37) je exponenciála c e K R t c 0 (3)

Rovnice (2) je v semilogaritmických souřadnicích rovnicí přímky se směrnicí K R. Rychlostní součinitel je tedy dán výrazem c 1 K R ln( 0 ) (4) c t Výsledný rychlostní součinitel r je normalizován na objem měřeného vodného roztoku AO 7 V [dm 3 ], geometrickou ozařovanou plochu vzorku S [m 2 ] a intenzitu dopadajícího záření P [W.m -2 ] a je vypočten dle rovnice V r K R (5) S P Použitá literatura [1] Kyoung-Ho A., Young-Bae P., Dong-Wha P., Kinetic and mechanistic study on the chemical vapor deposition of titanium dioxide thin films by in situ FT-IR using TTIP, 2003 [2] [online] URL <http://cs.wikipedia.org/wiki/titan_(prvek) >[citováno 2007-05-07] [3] [online] URL <http://en.wikipedia.org/wiki/titanium_dioxide>[citováno 2007-05-07] [4] Diebold, U., The surface science of titanium dioxide, Surface Science Reports, 2003, vol.48, s.53-229 [5] [online] URL <http://www.mineralienatlas.de/showpict.php?pict=rutil-02- kapuldz.jpg>[citováno 2007-06-09] [6] [online] URL <http://www.mineralienatlas.de/showpict.php?pict=anatas-005.jpg> [citováno 2007-06-09] [7] [online] URL <http://www.mineralienatlas.de/showpict.php?pict=1165073113.brookit_sw.jpg> [citováno 2007-06-09] [8] Musil J., Vyskočil J., Tenké vrstvy nitridu titanu, 1. vyd. Academia Praha, 1989 [9] Fujishima A., Hasimoto K., Watanabe T., TiO 2 fotokatalýza, základy a aplikace, Silikátový svaz, 2002 [10] Vacková T., Depozice tenkých vrstev TiOx metodou PECVD, Diplomová práce TU v Liberci, 2004 [11] Horáková M., Studium fotokatalytických vrstev na bázi oxidů titanu, Diplomová práce TU v Liberci, 2005 [12] A. Fujishima, K. Hashimoto, T. Watanabe.: Fotokatalýza na TiO 2 - základy a aplikace; Český silikátový svaz, 2002, (přeloženo z anglického originálu TiO 2 Photocatalysis. Fundamentals and Applications) [13] Subedi D., P., Surface Modification of Polymers by Low Temperature Plasmas, Disertační práce, Masarykova univerzita Brno, 2002 [14] A.J. Maira, K.L. Yeung, J. Soria, J.M. Coronado, C. Belver, C.Y. Lee, V. Augugliaro, Appl. Catal. B: Environ. 29 (2001) 327