مهرداد خامفروش

با توجه به کاهش منابع سوخت فسیلی و افزایش آلودگی‌های زیست‌محیطی، از جمله ورود پساب‌های رنگی به منابع آبی، نیاز به فناوری‌های نوین پایدار بیش از پیش احساس می‌شود. فرآیندهای فتوکاتالیستی با استفاده از مواد نیمه‌رسانا و تابش نور، راهکاری مؤثر برای حل هم‌زمان این چالش‌ها هستند؛ زیرا ضمن تخریب آلاینده‌های آلی از پساب‌ها، امکان تولید سوخت سبز هیدروژن بدون ایجاد آلاینده‌های ثانویه را نیز فراهم می‌کنند. بیسموت فریت به‌دلیل برخورداری از ویژگی‌های منحصر‌به‌فرد فتوکاتالیستی و خواص مغناطیسی، به‌عنوان یکی از کاندیداهای امیدوارکننده برای کاربرد در فرآیندهای فتوکاتالیستی دوگانه مطرح شده است. ساختار پروسکایتی، پایداری شیمیایی بالا، جذب مؤثر نور مرئی و خاصیت چندفروالکتریکی این ماده، آن را برای انجام هم‌زمان واکنش‌های اکسایشی و کاهشی در محیط‌های آبی مناسب ساخته است. با این حال، ساختار نانوذره پودریBiFeO₃ همچنان با چالش‌هایی نظیر تمایل شدید به تجمع در محلول واکنش، که منجر به کاهش سطح فعال و افت راندمان جذب نور می‌شود، بازترکیب سریع حامل‌های بار (الکترون–حفره) که کارایی فرآیندهای نوری و تولید گونه‌های فعال اکسیداتیو را محدود می‌سازد، و همچنین دشواری جداسازی ذرات از محیط واکنش پس از فرآیند ، مواجه است که مانع از بازیابی و استفاده مجدد مؤثر آن‌ها می‌گردد. از جمله راه‌حل‌های مؤثر برای رفع یا کاهش چالش‌های عملکردی نیمه‌رسانایBiFeO₃، می‌توان به تولید فتوکاتالیست‌های یک‌بعدی مبتنی برBiFeO₃ از طریق روش الکتروریسی و همچنین افزودن تقویت‌کنندهSiO₂ اشاره کرد. بدین جهت، در این تحقیق، کارایی نانوالیاف BiFeO3 سنتز شده به روش الکتروریسی و نیز نانوالیاف بیسموت فریت تقویت شده با مقادیر مختلف نانوذرات سیلیس (5/2، 5 و wt.% 5/7) در فرآیند تجزیه نوری آلاینده رنگی متیل اورانژ مورد مطالعه و ارزیابی قرار گرفت. در ادامه، فعالیت فتوکاتالیست با مقدار بهینه تقویت‌کننده سیلیس در فرآیندهای همزمان تولید نوری هیدروژن و تصفیه متیل اورانژ مورد بررسی قرار گرفت. بررسی نتایج حاصل از تست‌های فتوراکتوری نشان داد که افزودن تقویت‌کننده SiO2 می‌تواند به طور موثر راندمان حذف آلاینده متیل اورانژ را بهبود ببخشد. از سمتی دیگر نیز با افزودن تقویت‌کننده سیلیس تا 5 درصد وزنی راندمان حذف افزایشی است و پس از آن با افزایش بیشتر غلظت تقویت‌کننده راندمان حذف کاهشی خواهد بود. فعالیت بهبودیافته برای نمونه حاوی wt.% 5 را می‌توان به تشکیل فاز اورتوسیلیکات بیسموت با فعالیت مطلوب در نور فرابنفش، پراکندگی مناسب نانوذرات سیلیس در ساختار نانوالیاف، حفظ ویژگی‌های نوری بیسموت فریت پس از افزودن سیلیس، کاهش نقص‌های ساختاری نانوالیاف BiFeO3 در حضور نانوذراتSiO₂ و کاهش نرخ بازترکیب حامل‌های بار نسبت داد؛ که توسط آنالیزهای ساختاری و نوری مختلف XRD، FESEM/EDX، UV-Vis و PL تأیید گردید. نانوالیاف کامپوزیتی منتخب BFO-Si(5) عملکرد قابل‌توجهی در فرآیندهای هم‌زمان تصفیه پساب و تولید هیدروژن از خود نشان داد. تحت تابش نور فرابنفش به‌مدت 3 ساعت، بیش از 95% از آلاینده متیل اورانژ تخریب شد و نرخ تولید هیدروژن به μmol·g⁻¹·h⁻¹ 650 رسید که حدود 8/3 برابر بیشتر از نمونه خالص BFO بود.