رشد عمودي و منظم نانوميله هاي ZnO به روشي آسان: مكانيزم رشد و فعاليت فتوكاتاليستي آنها

Facile growth of vertically aligned ZnO nanorods: Growth mechanism and photocatalytic activity

در اين تحقيق، به روشي ايمن و بسيار آسان، نانوميله هاي روي اكسيد (ZnO) بصورت كاملا منظم و عمود بر روي زيرلايه شيشه رشد داده شدند. ابتدا به روش سل ژل يك لايه نازك دانه اي روي سطح شيشه ايجاد گرديد. اين دانه ها (با قطر متوسط حدود nm 5+ 100 هسته هاي رشد را براي نانوميله ها ايجاد كردند و باعث گرديد نانوميله ها در فشار اتاق و دماي پايين (C° 70) به روش هيدروترمال و بدون استفاده از اتوكلاو رشد كنند. تاثير بازي بودن محلول فرايند هيدروترمال بر ميزان و نحوه رشد نانوميله ها از طريق تغيير غلظت NaOH بصورت كاملا مدون بررسي گرديده و مكانيزم رشد نانوميله ها پيشنهاد گرديد. نتايج آناليزها نشان داد كه در غلظت هاي پايين NaOH (كمتر از 0 / 05M) نانوميله ها رشد چنداني نداشته اند. از طرف ديگر در غلظت بالاي NaOH بيشتر از M 0 / 12) نه تنها نانوميله ها رشد نكرده اند، بلكه لايه نازك دانه اي نيز خورده شده است. در غلظت بهينهي NaOH يعني 0 / 10M، نانوميله ها كاملا عمود بر زيرلايه و با آرايشي منظم و يكنواخت رشد كرده اند. بر اساس تصاوير ميكروسكوپ الكتروني روبشي، SEM، قطر متوسط نانوميله ها در نمونه ي بهينه nm 5+ 70 و طول متوسط آنها تقريبا mm 10 + 360 تعيين گرديد. همچنين اين نمونه بالاترين زبري سطح ( nm 221) را دارد. خاصيت فتوكاتاليستي نانوميله هاي سنتز شده از طريق تجزيه محلول متيلن آبي تحت تابش نور فرابنفش (UV) مورد بررسي قرار گرفت. نمونه اي كه با غلظت بهينه NaOH تهيه شده بود، بالاترين نرخ واكنش فتوكاتاليستي "min 55 000) را از خود نشان داد. آرايش منظم و عمودي نانوميله ها در نمونه بهينه، كه مسير معيني را براي حركت حامل هاي بار ايجاد كرده و ترابرد الكترون ها را افزايش مي دهد، به همراه سطح مؤثر بالا، كه باعث افزايش مكانهاي فعال واكنش هاي فتوكاتاليستي و همچنين افزايش جذب نور مي شود، سبب شده است كه اين نمونه بالاترين خاصيت فتوكاتاليستي (يك مرتبه بزرگي بيشتر از نمونه هاي ديگر را داشته باشد. مكانيزم و مطالب ارائه شده در اين مقاله اطلاعات بسيار مفيدي را براي رشد عمودي و منظم نانوساختارهاي يك بعدي ZnO به روشي كاملا آسان، ايمن و اقتصادي فراهم آورده است كه براي كاربردهايي نظير سلول هاي خورشيدي و وسايل اپتوالكترونيكي بسيار سودمند خواهد بود.

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.