۱-۳-۳ غیر سمی بودن
از آن­جایی که در اصل تمام واکنش­های فوتوکاتالیک به قسمی به سیستم­های تصفیه زیست محیطی (آب، هوا و غیره) منتج می­شوند استفاده از مواد سرطان زا در این سیستم­ها بی­فایده و غیر منطقی است. بزرگ­ترین مشکل در سمی بودن مواد فتوکاتالیست در مورد نیمه­هادی­های فعال شونده با نور مرئی، سولفید کادمیم است که سرطان­زا، محرک و جهش­زا (ژنتیک) معرفی گردیده است. اگرچه سولفید کادمیم به علت زمان کوتاه ترکیب الکترون و حفره مناسب به نظر نمی­رسد اما به دلیل داشتن انرژی باند ممنوعه مناسب ۵/۲ الکترون ولت توانایی جذب امواجی با طول موج مرئی را داراست. علاوه بر آن این انرژی به قدر کافی بزرگ می­باشد تا از خوردگی این فتوکاتالیست جلوگیری کند. اما اکسید تیتانیوم به­ دلیل زیست سازگاری جایگاه بهتری به­عنوان فتوکاتالیست پیدا کرده است. این اکسید در کاربردهایی که به­ صورت مستقیم و غیر مستقیم با انسان سرو کار داشته اند بدون گزارش هیچ­گونه خطر و عوارضی مورد استفاده قرار گرفته است.
۱-۳-۴ قیمت مناسب
قیمت فتوکاتالیست یک فاکتور مهم در تعیین کارایی و کاربرد­های آن می­باشد. به­عنوان مثال آیا از آن به عنوان پوشش لامپ برای تصفیه مستقیم هوا می­توان استفاده کرد و یا در مقیاس بزرگ­تر در یک پایگاه تصفیه آب می­توان از آن بهره برد؟

بهترین فتوکاتالیست مورد استفاده در امواج مرئی در حال حاضر اکسید تیتانیوم دوپ شده با یون فلزات است. عملیات دوپ کردن یون­ها که جهت انتقال پیک جذب تیتانیوم به سمت امواج مرئی انجام می­گیرد دومین انقلاب در زمینه فتوکاتالیست بود که توسط دانشمندی که در این زمینه تحقیق می­کردند به وجود آمد. دومین انقلاب فتوکاتالیست بدون هزینه نبود. عملیات دوپ کردن یون­ها باتوجه به نوع و اندازه عملیات مبلغی بالغ بر ۵۰۰۰۰۰ دلار هزینه در برداشت.
۱-۴ هدف از انجام تحقیق
متاسفانه، TiO₂با نوار ممنوعه انرژی بالا، در حدودeV 2/3 تنها تحت نور ماوراء­بنفش که سهم کوچکی
(در حدود%۸)، را از انرژی خورشیدی دارد، فعال می­ شود. بنابراین تولید فتوکاتالیستی موثر از تیتانیا با فعالیت فتوکاتالیستی وسیع­تر تا محدوده نور مرئی بسیار مورد توجه می­باشد. بسیاری از فعالیت­های تحقیقاتی انجام شده، تلاش بر افزودن دوپنت­ها در شبکه تیتانیا بوده است. هدف از پژوهش حاضر تولید چنین فتوکاتالیستی است تا بدین ترتیب بتوان از انرژی خورشیدی ارزان و در دسترس به­منظور از بین بردن آلاینده­های زیست محیطی بهره برد.
پایان نامه حاضر شامل پنج فصل می­باشد و با عنوان­های ذیل ارائه شده است. پس از مقدمه­ای کوتاه در مورد فتوکاتالیست، به­ ویژه فتوکاتالیست ناحیه مرئی و هدف از انجام پروژه، در فصل دوم به­ صورت جامع­تر به مبانی نظری نیمه­هادی­ها، فتوکاتالیست­ها و منحصراً ویژگی­های تیتانیا به­عنوان یک فتوکاتالیست مناسب و روش­های بهبود خواص فتوکاتالیستی این نیمه­هادی پرداخته شده است و در ضمن مباحث فوق، تاریخچه پژوهش سایر محققیق ذکر شده است. در فصل سوم با مواد، تجهیزات و روش به­کار رفته در این تحقیق آشنا شده و دلایل انجام این پروژه نیز ارائه شده است. در ادامه، در فصل چهارم داده ­های حاصل از آزمون­ها ارائه شده و نتایج
به­دست آمده مورد بحث و تحلیل قرار گرفته است. در این فصل سعی شده است که تاثیر کاتیون­های Sn⁴⁺
و Ce^3+/4+ بر خواص ساختاری، فتوکاتالیستی، نوری، خواص سطحی بحث و بررسی شود. در نهایت در فصل پنجم جمع­بندی کلی نتایج و پیشنهادها ارائه شده است.
فصل دوم
مروری بر منابع مطالعاتی
و
مبانی نظری
۲-۱ ویژگی­های نیمه­رساناها
نیمه­رساناها گروهی از مواد هستند که رسانایی الکتریکی آن­ها بین فلزات و عایق­ها قرار دارد. ویژگی مهم این مواد این است که رسانایی آن­ها با تغییر دما، تحریک نوری و میزان ناخالصی، به نحو قابل ملاحظه­ای تغییر
می­ کند. ساختار الکترونی نیمه­رساناها شامل دو نوار انرژی است، نوار بالایی موسوم به نوار هدایت و نوار پایینی موسم به نوار ظرفیت است، شکاف میانی فاقد هرگونه تراز انرژی مجاز برای اشغال الکترون­هاست و نوار ممنوعه^[۱] نامیده می­ شود [۴]. مواد نیمه­رسانا در صفر کلوین اساساً همان ساختار عایق­ها را دارند. تفاوت بین نیمه­رساناها در اندازه نوار ممنوعه E_g است که در نیمه­رساناها خیلی کوچک­تر از عایق­هاست. شکاف انرژی نسبتاً کوچک در نیمه­رساناها امکان تحریک الکترون­ها را از نوار پایینی (ظرفیت) به نوار بالایی (هدایت) با مقدار کافی از انرژی نوری یا گرمایی فراهم می­سازد. مثلاً در دمای معمولی یک نیمه­رسانا با شکاف نوار eV1 دارای تعداد قابل توجهی الکترون است که با تحریک گرمایی از طریق شکاف انرژی به نوار هدایت رفته­اند. در حالی­که یک عایق باeV 10=E_g دارای تعداد ناچیزی از این­گونه برانگیختگی­ها خواهد بود. بنابراین اختلاف مهم بین مواد
نیمه­رسانا و عایق این است که الکترون­های موجود برای هدایت جریان را می­توان به­میزان زیادی به وسیله انرژی گرمایی یا نوری در نیمه­رساناها افزایش داد [۵].
۲-۱-۱ حامل­های بار در نیمه­رساناها
با تابش نور به یک نیمه­رسانا برخی از الکترون­های نوار ظرفیت، انرژی لازم را برای برانگیخته شدن به نوار هدایت بدست می­آورند. حاصل، ماده­ای با تعدادی الکترون در یک نوار هدایت تقریبا خالی و تعدادی حالت اشغال نشده در نوار ظرفیت تقریبا پر است. برای سهولت، از یک حالت خالی در نوار ظرفیت به نوار هدایت به وجود آیند، آن­ها را زوج الکترون- حفره می­نامند. در مطالعه نیمه­رساناها، از این الکترون­ها و حفره­ها به­عنوان حامل­های بار یاد می­ شود [۶].
۲-۱-۲ انواع نیمه­رساناها
باتوجه به مکان تراز فرمی و میزان حامل های بار آزاد، این دسته از مواد را می­توان به دو گروه زیر تقسیم کرد:

1. 1. نیمه­رساناهای ذاتی^[۲]

1. 1. نیمه­رساناهای غیر ذاتی^[۳]

۲-۱-۲-۱ نیمه­رساناهای ذاتی
یک بلور نیمه­رسانای کامل و فاقد ناخالصی یا نقص بلوری به نام نیمه­رسانای ذاتی شناخته می­ شود. در چنین ماده­ای هیچ­گونه حاملی در صفر کلوین وجود ندارد، زیرا نوار ظرفیت از الکترون­ها پر شده و نوار هدایت خالی است. در دماهای بالاتر با تحریک گرمایی الکترون­های نوار ظرفیت به نوار هدایت، زوج الکترون-حفره تولید
می­ شود. این حامل­ها تنها حامل­های موجود در نیمه­رساناهای ذاتی هستند [۶].
۲-۱-۲-۲ نیمه­رساناهای غیر ذاتی
علاوه بر حامل­های ذاتی تولید شده به­ کمک حرارت می­توان با وارد کردن ناخالصی به شبکه بلور، حامل­های اضافی در نیمه­رساناها به ­وجود آورد. این فرایند موسوم به آلایش^[۴]، متداول­ترین روش برای تغییر رسانایی در نیمه­رساناها است. با عمل آلایش می­توان ساختار بلور را طوری تغییر داد که دارای تعداد زیادی الکترون و حفره شوند. بنابراین در اثر آلایش، دو نوع نیمه­رسانا به ­وجود می ­آید: نیمه­رسانای نوع n و نیمه­رسانای نوعp ، در نیمه رسانای نوعn ، غلظت حامل­های الکترونی بیش­تر از حفره هاست (n_n n_p).
در شکاف انرژی این نیمه­رسانا، یک تراز مجاز اضافی ایجاد شده است که درست در زیر نوار هدایت قرار
می­گیرند و تراز دهنده^[۵] با انرژی E_d نامیده می­ شود. همان­طور که در شکل ۲-۱ سمت چپ نشان داده شده است، تراز فرمی در این نیمه­رساناها بین تراز دهنده و نوار هدایت قرار دارد.
در نیمه­رسانای نوع p، غلظت حامل­های حفره بیش­تر از الکترون هاست (n_n n_p). تراز مجاز اضافی در بالای نوار ظرفیت تشکیل می­ شود و در نوار ممنوعه انرژی به­ صورت یک تراز پذیرنده^[۶] با انرژی مشخص E_a قرار
می­گیرد. تراز فرمی در وسط تراز پذیرنده الکترون و نوار ظرفیت قرار دارد. ترازهای انرژی نیمه­رسانای مورد نظر در این پروژه، تیتانیا، مطابق شکل سمت چپ می­باشد که یک نیمه­رسانای نوعn است [۶].
شکل ۲-۱: نیمه رسانای نوعn و نیمه رسانای نوع p [6].
۲-۲ خواص یک فتوکاتالیست مناسب
علاوه بر شکاف انرژی، یک فتوکاتالیست خوب باید خواص زیر را داشته باشد:

1. 1. از نظر نوری فعال باشد.

1. 1. قابل استفاده در ناحیه نور مرئی و نزدیک به نور UV باشد.

1. 1. پایدار نوری باشد.

1. 1. غیر سمی باشد.

1. 1. گران نباشد.

1. 1. از نظر بیولوژیکی و شیمیایی خنثی باشد [۱۱-۷].

از بین نیمه­رساناهای مختلف، به­ دلیل خواص ذاتی^[۷]TiO₂ به عنوان بهترین فتوکاتالیست مورد توجه قرار گرفته است.