تثبيت نانوذرات TiO2 برروي آلوميناسيليكات طبيعي فرآوري شده جهت توليد هيدروژن: ارزيابي اثر فرآوري شيميايي پايه و شرايط عملياتي فرآيند

Immobilization of TiO2 Nanoparticles Over Treated Natural Aluminasilicate for Hydrogen Production: Effect of Support Treatment and Operational Conditions of Process

در پژوهش حاضر، فرآيند فتوكاتاليستي شكافت آب برروي نانوذرات تيتانياي تثبيت شده بر پايه زئوليت طبيعي كلينوپتيلوليت و نيز كلينوپتيلوليت فرآوري شده به‌روش تعويض يوني، با هدف پي بردن به اثرات روش فرآوري پايه بر خواص فيزيكي- شيميايي و عملكردي فتوكاتاليست و نيز بررسي اثر پارامترهاي عملياتي مختلف از جمله زمان، مقدار فتوكاتاليست و pH محلول واكنش انجام شد. به اين منظور پس از فرآوري كلينوپتيلوليت به‌روش تعويض يوني، تركيب تيتانيا- كلينوپتيلوليت فرآوري شده حاوي 10% وزني TiO2 به‌روش بسيار آسان و ارزان توزيع حالت جامد سنتز گرديد. در بررسي خصوصيات فتوكاتاليست سنتز شده از آناليزهايي همچون XRDا، FESEMا، EDXا، BETا، PL و UV-vis استفاده شد. نتايج آناليزهاي شناسايي، بيانگر تشكيل كلوخه‌هاي كمتر، توزيع بهتر ذرات TiO2 و برهم‌كنش قوي‌تر بين پايه و فلز بوده كه ناشي از مساحت سطح بيشتر و دسترسي بيشتر به ميكروكانال‌هاي زئوليت، بواسطه پايه فرآوري شده، است. توزيع مناسب ذرات TiO2 منجر به افزايش تعداد سايت‌هاي فعال سطحي و بازده جدايش بيشتر جفت‌هاي الكترون- حفره شده كه در نتيجه آن فعاليت فتوكاتاليستي افزايش مي‌يابد. استفاده از كلينوپتيلوليت فرآوري‌شده منجر به افزايش 30% توليد هيدروژن در مقايسه با فتوكاتاليست بر پايه كلينوپتيلوليت خام مي‌شود. با بررسي نحوه اثرگذاري پارامترهاي عملياتي، حداكثر مقدار هيدروژن توليدي (µmol g-1 h-1 74/859) در شرايط بهينه زمان واكنش h 4، pH بازي برابر با 10 و مقدار كاتاليست g/L 1 به‌دست آمد كه اين ميزان در مقايسه با نيمه‌رساناي TiO2 خالص به‌عنوان نمونه مرجع، حدوداً افزايش دوازده برابري دارد.

In the present research, the photocatalytic water splitting process has been carried out over titania nanoparticles immobilized on parent clinoptilolite and ion exchange-treated clinoptilolite with the aim of understanding the effects of chemical treatment method on the physicochemical properties and performance of catalyst, and assessing the effects of operational parameters including irradiation time, photocatalyst dosage and solution pH. To this aim, 10 wt.% of TiO2 nanoparticles were loaded over zeolitic supports using facile and cost effective solid state dispersion (SSD) method. Moreover, the synthesized photocatalysts were characterized by XRD, FESEM, EDX, BET, PL and UV-vis techniques. The characterization results indicate that less population of surface particle aggregates, a better dispersion of titania particles and stronger metal-support interaction as a result of higher surface area and more accessibility of the zeolite micro-channels were achieved using modified clinoptilolite support. The fine dispersion of TiO2 particles reflects higher surface density of active sites and separation efficiency of electron-hole pairs, which accounts for their better photocatalytic performance. Employing the ion exchange- treated clinoptilolite as support led to 30% increase in the photocatalytic activity of TiO2-treated clinoptilolite for hydrogen evolution compared to that of TiO2-based composite containing the bare clinoptilolite. By assessing the influence of the operational conditions on the efficiency of water splitting, a maximum hydrogen evolution (859.74 µmol g-1 h-1) was obtained with optimum condition set at irradiation time of 4 h, solution pH of 10 and photocatalyst dosage of 1 g L-1, which is about 12 times greater than that of pure TiO2 as the reference sample.