سنتز، شاخصه‌یابی و بررسی خواص فیزیکی نانومیلههای ZnO/WO3 با استفاده از عوامل جوانه‌زا و بررسی فرایند فوتوکاتالیستی به‌وسیله طراحی آزمایش به روش تاگوچی

عواد العمیشی, حازم حامد; بروجردنیا, مهدی

doi:10.30501/jamt.2024.436338.1293

سنتز، شاخصه‌یابی و بررسی خواص فیزیکی نانومیلههای ZnO/WO3 با استفاده از عوامل جوانه‌زا و بررسی فرایند فوتوکاتالیستی به‌وسیله طراحی آزمایش به روش تاگوچی

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

حازم حامد عواد العمیشی ¹

مهدی بروجردنیا ²

¹ دانشجوی کارشناسی‌ارشد، گروه مهندسی مواد، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

² استادیار، گروه مهندسی مواد، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

10.30501/jamt.2024.436338.1293

چکیده

در این پژوهش، نانومیله‌های اکسید روی با حضور جوانه‌زا و بدون جوانه‌زا توسط فرایند هیدروترمال بر روی زیرلایه رشد داده شدند. سپس نانوذرات WO₃ بر روی نانومیله‌های ZnO پوشانده‌ شده بر روی زیرلایه با استفاده از روش پوشش‌دهی دورانی لایه‌نشانی شدند. برای شناسایی از آنالیزهای فازی، ریزساختاری و خواص فوتوکاتالیستی از روش‌های XRD، SEM،EDX ، DRS-UV استفاده شد. نتایج تحقیقات حاضر نشان داد که نه تنها ریخت‌شناسی نانوذرات و نانومیله‌های ZnO به‌همراه جوانه‌زا و بدون جوانه‌زا بر خواص فوتوکاتالیستی مؤثر هستند، بلکه میزان انرژی ناحیه ممنوعه حاصله در حضور WO₃ بر روی نمونه هسته/پوسته ZnO/WO₃تأثیرگذار است. با توجه به نتایج به‌دست‌آمده، نانومیله‌های ZnO در حضور جوانه‌زا‌ها دارای ریخت‌شناسی یکنواخت و مرتب‌تری از نانومیله‌های بدون جوانه‌زا هستند. همچنین، نانوکامپوزیت ZnO/WO₃ با بهبود جداسازی و کاهش بازترکیب الکترو - حفره به افزایش راندمان فوتوتخریب رنگ توسط فوتوکاتالیست منجر شد. آزمایش‌ها، بر اساس طرح تاگوچی، طراحی، آنالیز و بررسی شد. تعداد آزمایش‌ها با استفاده از روش تاگوچی تعیین و ارتباط متغیرهای pH، زمان، غلظت اولیه متیلن‌گرین و سرعت اختلاط به‌منظور حذف متیلن‌گرین به‌ وسیلهٔ فرایند فوتوکاتالیستی توسط نانوذره، نانومیله ZnO و کاتالیست ZnO/WO₃ با انجام آنالیز ANOVA بررسی شد. نتایج نشان داد غلظت اولیهٔ محلول متیلن‌گرین و pH بیشترین تأثیر را در فرایند فوتوکاتالیستی داشته‌اند و همچنین فرایند فوتوکاتالستی به‌وسیله جوانه‌زا و نانومیله ZnO درصد حذف 20/70 درصد است، ولی به‌وسیله ZnO/WO₃ به 30/82 درصد رسیده است.

کلیدواژه‌ها

نانومیله

هسته/ پوسته

ZnO/WO3

جوانه‌زا

هیدروترمال

تاگوچی

موضوعات

دیگر (مدلسازی، شبیه سازی، طراحی آزمایش و ...)

عنوان مقاله English

Synthesis, Characterization, and Investigation of the Physical Properties of ZnO/WO3Nanorods Using a Seed Layer, and Analysis of the Photocatalytic Process via Taguchi Method Experimental Design

نویسندگان English

Hazim Hamid Awwad ¹

Mehdi Boroujerdnia ²

¹ Master Student, Department of Materials Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.

² Assistant Professor, Department of Materials Engineering, Ahvaz Branch, Islamic Azad University, Ahvaz, Iran.

چکیده English

In this study, zinc oxide (ZnO) nanorods were grown on substrates with and without a seed layer using a hydrothermal process. WO₃ nanoparticles were then coated onto the ZnO nanorods using the spin coating method. Techniques such as XRD, SEM, EDX, and UV-Vis DRS were employed to analyze the phase, microstructure, and photocatalytic properties. The results showed that the morphology of ZnO nanoparticles and nanorods, whether with or without a seed layer, significantly affected their photocatalytic properties. Additionally, the band gap size in the presence of WO₃ influenced the performance of the ZnO/WO₃ core-shell structure. ZnO nanorods with a seed layer exhibited a more uniform and orderly morphology compared to those without. The ZnO/WO₃ nanocomposite also improved dye photodegradation efficiency by enhancing electron-hole separation and reducing recombination. The experiments were designed and analyzed using the Taguchi method, which determined the number of experiments and assessed the effects of pH, time, initial methylene green concentration, and stirring speed on the photocatalytic degradation of methylene green by ZnO nanoparticles, nanorods, and the ZnO/WO₃ catalyst using ANOVA. The findings revealed that the initial methylene green concentration and pH had the most significant impact on the photocatalytic process, with removal rates reaching 70.2% for ZnO nanorods with a seed layer and 82.3% for the ZnO/WO₃ composite.

کلیدواژه‌ها English

Nanorods

Core/Shell

ZnO/WO3

Seed Layer

Hydrothermal

Taguchi

Abdul-Rani, A. M., & Mahamat, A. T. Z. (2013). Analysis on Cu-WC-Si as electrode for advancement in electro-discharge machining. International Journal of Materials and Product Technology 15, 47(1-4): 241-257. https://doi.org/10.1504/IJMPT.2013.058969
Cao, L. (2010). Superhydrophobic surface: Design, Fabrication, and Application, Department of Chemical and petroleum Engineering, Swanson School of Engineering. https://search.proquest.com/openview/355103a22f419f10affd2349e55ea019/1?pq-origsite=gscholar&cbl=18750
Ebrahimi, M., Samadi, M., Yousefzadeh, S., Soltani, M., Rahimi, A., Chou, T.-c, Chen, L.-C., Chen, K.-H., &Moshfegh, A.Z, (2017). Improved solar-driven photocatalytic activity of hybrid graphene quantum dots/ZnO nanowires: a direct Z-Scheme mechanism, ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 5, 367-375. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.6b01738
Fujishima, A., & Zhang, X. (2006). Titanium dioxide photocatalysis: present situation and future approaches. ComptesRendus Chimie, 9 (5-6), 750-760. https://doi.org/10.1016/j.crci.2005.02.055
Ghasaban, S., Atai, M., & Imani, M., (2017). Simple mass production of zinc oxide nanostructures via low-temperature hydrothermal synthesis, Materials Research Express, 4, 035010. https://doi.org/10.1088/2053-1591/aa5dcc
Guerrero-Contreras, J., & Caballero-Briones, F. (2015). Graphene oxide powders with different oxidation degree, prepared by synthesis variation of the Hummers method. Materials chemistry and physics, 153, 209-220. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2015.01.005
Huang, M., Mao, S., Feick, H., Yan, H., Wu, Y., Kind, H., Weber, E., Russo, R., & Yang, P., (2001 ). Room-Temperature Ultraviolet Nanowire Nanolasers. Science, 292 (5523), 1897-1899. https://doi.org/10.1126/science.1060367
Koltypin, Y., Nikitenko, SI, & Gedanken, A., (2002). The Sonochemical Preparation of Tungston Oxide Nanoparticles. Journal of Materials Chemistry, 12 (4), 1107-1110. https://doi.org/10.1039/B106036H
Kurudirek, S.V., Pradel, K.C., & Summers, C.J., (2017). Low-temperature hydrothermally grown 100 μm vertically well-aligned ultralong and ultradenseZnO nanorod arrays with improved PL property, Journal of Alloys and Compounds, 702, 700-709. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.01.273
Li, F., Jiang, Y., Hu, L., Liu, L., Li, Z., & Huang, X., (2009). Structural and Luminescent Properties of ZnO Nanorods and ZnO/ZnS Nanocomposites, Journal of Alloys and Compounds. 474, 1 531-535. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.06.149
Monshi, A., & Soltan Attar, S. (2008). Applying a new method in the measurement of nanoparticles using Scherer's relation and X-ray diffraction. Journal of Advanced Processes in Materials Engineering, 2 (6), 9-19. https://sanad.iau.ir/Journal/ma/Article/1090042
Naghibi, S., FaghihiSani, M.A., & Madaah Hosseini, H.R., (2014). Application of the statistical Taguchi method to optimize TiO2 nanoparticles synthesis by the hydrothermal assisted sol-gel technique. Ceramics International. 40, 4193–4201. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2013.08.077
Ozgar, U., Alivov, Ya.I, Liu, C., & Teke, A. (2005). A comprehensive review of ZnO materials and devices. Journal of applied physics, 98(4), 041301-1. DOI:10.1063/1.1992666
Patila, P.‎‎,‎Patilb, P. R., &‎ Ennaoui‎, E. A.(2000). Characterization‎ of‎ ultrasonic‎ spray‎ pyrolyzed‎tungsten‎oxide‎thin‎films. ‎Thin‎ Solid‎ Films, 370 (1-2), 38-44. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(00)00745-8
Samadi, M., Zirak, M., Naseri, A., Khorashadizadeh, E., & Moshfegh, A.Z., (2016). Recent progress on doped ZnO nanostructures for visible-light photocatalysis, Thin Solid Films, 605, 2-19. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2015.12.064
Tian, H., Fan, H., Guo, H., & Song, N. (2014). Solution- based synthesis of ZnO/carbon nanostructure by chemical coupling for high performance gas sensors. Sensor and Actuator B, 195, 132-139. https://doi.org/10.1016/j.snb.2014.01.016
Wang, Z.L., (2007). Piezoelectric nanostructures: From growth phenomena to electric nanogenerators, Mrs Bulletin. 32 (2), 109-116. https://doi.org/10.1557/mrs2007.42
Zamani, M., Jamali-Sheini, F., & Cheraghizade, M. (2023). Space-charge-limited current passivation of the self-powered and ultraviolet-to-visible range bilayer p-Si/n-Bi₂S₃ heterojunction photodetector by Ag coating. Journal of Alloys and Compounds, 933, 167665. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.167665.
Zhao, Y., Feng, Z.C., & Liang, Y., (2000). Pulsed laser deposition of WO3-base film for NO2 gas sensor application. Sensors and Actuators B: Chemical, 66, 171-173. https://doi.org/10.1016/S0925-4005(00)00326-9