ผลของระยะเวลาการใช้คลื่นอัลตร้าโซนิคต่อสมบัติของตัวเร่งปฏิกิริยาด้วยแสงชนิดไททาเนียมไดออกไซด์ที่เจือด้วยไนโตรเจน

Abstract

          ไททาเนียมไดออกไซด์อนุภาคนาโนที่เจือด้วยไนโตรเจนสังเคราะห์ขึ้นโดยวิธีการเคลือบฝังแบบใช้อัลตร้า โซนิคร่วมกับการเจือโดยคุณสมบัติทางกายภาพและทางเคมีของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เตรียมได้จะถูกใช้ในการอภิปรายผลของระยะเวลาการใช้คลื่นอัลตร้าโซนิคที่มีต่อความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลติกเพื่อย่อยสลาย เมทิลีนบลูภายใต้แสงวิสิเบิล คลื่นอัลตร้าโซนิคมีบทบาทสำคัญต่อการเข้าไปในโครงผลึกไททาเนียมไดออกไซด์ของไนโตรเจน ซึ่งผลการวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าไนโตรเจนสามารถเข้าไปในโครงผลึกไททาเนียมไดออกไซด์ได้ทั้งในลักษณะของการแทนที่อะตอมและการแทรกตัวในโครงสร้างผลึก การที่ไนโตรเจนเข้าไปในโครงผลึกของไททาเนียมไดออกไซด์นั้น นอกจากจะส่งผลให้แถบช่องว่างพลังงานของตัวเร่งปฏิกิริยาไททาเนียมไดออกไซด์ที่เจือด้วยไนโตรเจนลดลงแล้ว ยังช่วยให้การดูดซับแสงวิสิเบิลของตัวเร่งปฏิกิริยาไททาเนียมไดออกไซด์ที่เจือด้วยไนโตรเจนเพิ่มขึ้นด้วย การเตรียมตัวเร่งปฏิกิริยาโดยใช้ระยะเวลาในการเจือด้วยอัลตร้าโซนิคนาน 30 และ 60 นาที (N/TiO2 -30 และ N/TiO2 -60) พบว่ามีความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยาสูงที่สุด เนื่องจากตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้มีค่าแถบช่องว่างพลังงานต่ำที่สุด ซึ่งตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีค่าแถบช่องว่างพลังงานต่ำนั้น จะช่วยให้เกิดคู่ของอิเล็กตรอนและโฮล จำนวนมากได้เมื่อตัวเร่งปฏิกิริยาถูกกระตุ้นด้วยแสงวิสิเบิล การเพิ่มระยะเวลาการเจือด้วยอัลตร้าโซนิคนานถึง 90 นาที ดังกรณีของตัวเร่งปฏิกิริยา N/TiO2 -90 นั้น จะช่วยทำให้อะตอมของไนโตรเจนเข้าไปแทรกตัวในโครงผลึกของไททาเนียมไดออกไซด์ได้มากยิ่งขึ้น ซึ่งการเข้าไปของไนโตรเจนแบบแทรกตัวนี้ส่งผลให้แถบช่องว่างพลังงานของตัวเร่งปฏิกิริยา N/TiO2 -90 กว้างกว่าตัวเร่งปฏิกิริยา N/TiO2 -30 และ N/TiO2 -60 นอกจากนี้ปริมาณของ Oxygen vacancy ที่มีอยู่ภายในผลึกของตัวเร่งปฏิกิริยา N/TiO2 -90 จำนวนมาก ยังทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางที่ทำให้เกิดการกลับมารวมตัวกันของอิเล็กตรอนและโฮล และทำให้ความว่องไวในปฏิกิริยาโฟโตคะตะไลติกภายใต้แสงวิสิเบิลลดลง            N-doped TiO2 nanoparticles were synthesized via ultrasonic-assisted impregnation method. Physicochemical property of the obtained photocatalyst has been also carried out to investigate the effect of ultrasonic irradiation timeonthe photocatalytic activityfor the degradation of methylene blue under visible light.The ultrasonic irradiation plays an important role in the incorporation of nitrogen into the TiO2 lattice. The results showed that nitrogen can be incorporated into the TiO2 lattice as substitutional and interstitial forms.The incorporation of nitrogen into the TiO2 lattice leads tothe decrease in the band gap energy and theincrease the visible light absorption of Ndoped TiO2. The photocatalytic activity of the catalysts with the ultrasonicirradiation times of 30 and 60 min (N/TiO2 - 30 and N/TiO2 -60) exhibited the highest activity because they possessed the lowest band gap energies, and this resulted in an enhancement in the number of photo-induced electrons and holes under visible light irradiation. Increasing the ultrasonic irradiation time to 90 min, as in the case of N/TiO2 -90, could increase the amount of interstitial nitrogen atoms in the lattice of the obtained N-doped TiO2 , hence widening the band gap energy with respect to either N/TiO2 -30 or N/TiO2 -60. In addition, a large amount of bulk oxygen vacancies in the N/TiO2 -90 catalyst may act as recombination centers for photogenerated electrons and holes, reducing the photocatalytic activity under visible light.