فرهاد رحمانی چیانه

در جهان امروز، رشد غیرقابل انکار صنعت جهانی و سریع جمعیت، از یک جهت منجر به آلودگی بیش از پیش آب و کاهش آب‌های قابل شرب، از جهتی دیگر منجر به افزایش تقاضای مصرف انرژی و نزدیک شدن به بحران انرژی می‌شود. بنابراین با تکیه بر منابع حاضر انرژی که از طریق سوخت‌های فسیلی تامین می‌شود نمی‌توان این بحران را مدیریت کرده و نیاز به جایگزین کردن آن با منابعی پاک و تجدید پذیر جهت تولید سوختی مناسب مانند هیدروژن است. فرآیند فتوکاتالیستی یکی از فرآیندهای بسیار مورد توجه در این زمینه است که با استفاده از نیمه‌رساناهای مختلف همچون ترکیبات بیسموت بنیان از جمله بیسموت اکسی هالیدها (BiOX) به حل همزمان مشکلات بحران انرژی و آلودگی آب می‌پردازد. باز ترکیبی سریع جفت‌های الکترون حفره، بازده جدایش پایین حامل‌های بار و بازیابی و جداسازی دشوار نیمه‌رساناها از محلول واکنش، از جمله دلایل مهم و اصلی کارایی نه چندان مناسب ترکیبات BiOX در انجام این فرآیند محسوب می‌شود. یکی از راهکارهای مؤثر جهت برطرف نمودن چالش‌ها و موانع پیش روی فرآیند فتوکاتالیستی، ایجاد ساختار اتصال ناهمگون بین ترکیبات BiOX با یک نیمه‌رسانای مناسب دیگر مانند بیسموت فریت مغناطیسی BiFeO3 است. BiFeO3 با شکاف باند باریک، خاصیت مغناطیسی و مورفولوژی کریستالی خاص، گزینه‌ای امیدوار کننده جهت ایجاد اتصال ناهمگون و بهبود عملکرد فتوکاتالیست‌های بیسموت اکسی هالیدی می‌باشد. در پژوهش حاضر، ترکیبات اتصالات ناهمگون مختلف BiOI-BiFeO3، BiOBr-BiFeO3 و BiOCl-BiFeO3 به کمک روش سونوشیمیایی-رسوبی با درصدهای مختلف وزنی سنتز و کارآیی آن‌ها در فرآیند حذف آلاینده دارویی تتراسایکلین مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت. در ادامه، فتوکاتالیست بهینه هر دسته انتخاب گردید و عملکرد آن‌ها در فرآیند همزمان تولید هیدروژن و تصفیه پساب دارویی تتراسایکلین مورد مقایسه و ارزیابی قرار گرفت. با توجه به نتایج می‌توان دریافت که بطور کلی بکارگیری ترکیبات BiOX مختلف در کنار BiFeO3 جهت تشکیل اتصالات ناهمگون برای تخریب آلاینده تتراسایکلین اثرگذاری ثمربخشی داشته است. در نتیجه قراگیری 10 درصد وزنی BiFeO3 در کنار BiOI، فتوکاتالیست کامپوزیتی فعال در نور مرئی با ساختاری نسبتاً همگن به دست آمد که توانست در مدت زمان 3 ساعت تابش نور فرابنفش آلاینده تتراسایکلین را به میزان 4/89% حذف نماید. افزون بر این، نتایج نشان داد که تشکیل ترکیب اتصال ناهمگونی از 5 درصد وزنی BiFeO3 در کنار 95 درصد وزنی BiOBr با کاهش سرعت بازترکیبی جفت-های الکترون-حفره و ایجاد یک مورفولوژی سلسله مراتبی، عملکرد قابل قبولی در حذف تتراسایکلین با دستیابی به بازدهی 3/90%، از خود نشان داد. در بخش بعدی، نتایج، بیانگر عملکرد بسیار مطلوب ترکیب 10 درصد وزنی BiFeO3 در کنار90 درصد وزنی BiOCl بوده و این ترکیب، موفق به حذف کامل تتراسایکلین از محلول واکنش گردید که این راندمان بالا به دلیل توزیع و پراکندگی بسیار یکنواخت ذرات نیمه‌رسانا، تشکیل یک ساختار همگن بدون کلوخه و انباشتگی، برهمکنش مناسب بین ذرات و کاهش قابل ملاحظه سرعت بازترکیبی جفت‌های الکترون-حفره در این نمونه بود که توسط آنالیزهای شناسایی XRD، FESEM، EDX و PL نیز تایید گردید. در تست راکتوری تحت تابش نور شبیه‌ساز خورشید، نمونه BiOI-BiFeO3 به دلیل لبه باند جذب وسیع در ناحیه مرئی، توانست در مقایسه با سایر ترکیبات، بهترین عملکرد را برای حذف آلاینده تتراسایکلین از خود نشان دهد. در نهایت نتایج نشان داد که عملکرد هر سه فتوکاتالیست اتصال ناهمگون بهینه در فرآیند همزمان تولید هیدروژن و تخریب نوری تتراسایکلین قابل قبول بوده و در این میان، فتوکاتالیست BCl90-BF10 با تولید μmol/g.h 2700 هیدروژن و حذف بیش از 96% تتراسایکلین به عنوان فتوکاتالیست بهینه این پژوهش تعیین گردید.