فناوری نانو رشتهای از دانش کاربردی و فناوری است که جستارهای گستردهای را پوشش میدهد. موضوع اصلی آن نیز مهار ماده یا دستگاههای در ابعاد کمتر از یک میکرومتر، معمولاً حدود ۱ تا ۱۰۰ نانومتر است. در واقع نانو فناوری فهم و به کارگیری خواص جدیدی از مواد و سیستمهایی در این ابعاد است که اثرات فیزیکی جدیدی – عمدتاً متأثر از غلبه خواص کوانتومی بر خواص کلاسیک – از خود نشان میدهند. فناوری نانو، موج چهارم انقلاب صنعتی، پدیدهای عظیم است که در تمامی گرایشهای علمی راه یافته و از فناوریهای نوینی است که با سرعت هرچه تمام تر درحال توسعه میباشد. از ابتدای دهه ۱۹۸۰ میلادی گستره طراحی و ساخت ساختمانها هر روزه شاهد نوآوریهای جدیدی در زمینه مصالح کارآمدتر و پربازدهتر در مقاومت، شکل پذیری، دوام و توانایی بیشتر نسبت به مصالح سنتی است. نانوفناوری یک دانش میانرشتهای است و به رشتههایی چون مهندسی مواد، پزشکی، داروسازی وطراحی دارو، دامپزشکی، زیستشناسی، فیزیک کاربردی، ابزارهای نیم رسانا، شیمی ابرمولکول و حتی مهندسی مکانیک، مهندسی برق و مهندسی شیمی نیز مربوط میشود. تحلیلگران بر این باورند که فناوری نانو، زیست فناوری[1] و فناوری اطلاعات[2]سه قلمرو علمی هستند که انقلاب سوم صنعتی را شکل میدهند. نانوفناوری میتواند به عنوان ادامهی دانش کنونی به ابعاد نانو یا طرح ریزی دانش کنونی بر پایههایی جدیدتر و امروزیتر باشد [1]. با پیشرفت نانوفناوری، اختراعات صنعتی و سرمایهگذاری های بخش صنعتی نیز در این حوزه افزایش یافته است. مطالعات متعدد، میزان سرمایه گذاری کشورهای مختلف را در زمینه نانو فناوری مشخص میکند.[2]. ایران در زمینه تعداد پتنتهای منتشر شده در رابطه با فناوری نانو، مقام ۲۹ را در سال ۲۰۱۲ در دنیا کسب کرده است [1].
فوتوکاتالیستها معمولاً اکسیدهای جامد نیمهرسانا هستند که با جذب فوتونها یک جفت الکترون-حفره(جای خالی الکترون، حفره نامیده میشود) در آنها ایجاد میشود. این الکترون-حفره میتوانند با مولکولهای موجود در سطح ذرات واکنش دهند.[3]
از فوتوکاتالیستها در تصفیه آب، تصفیه آلایندههای هوا، شیشههای خود تمیزشونده، تجزیه مولکولهای آلی و … استفاده میشود. مشکلات آلودگی زیست محیطی آبهای آشامیدنی و کشاورزی یکی از تهدیدات جامعه بشری میباشد و بررسیهای زیادی برای حل این معضل به عمل آمده است. در این خصوص نانو فوتو کاتالیستها نمادهایی خاص برای کاربردهای چون پاکسازی آلایندههای هوا و تصفیه هوا، تصفیه آب و فاضلاب، حذف آلایندههای نساجی و…. میباشند. طرز عمل خاص آنها در معرض نور مرئی و UV با توجه به ظرفیت جذب بالای آنها دامنه کاربردشان را وسیعتر نموده است. در این خصوص انواع نانو فوتوکاتالیستها مانند دیاکسید تیتانیوم، اکسید روی، سولفید کادمیوم و…. مورد استفاده قرار گرفتهاند. البته این مواد یعنی نانو فوتوکاتالیستها مشکلات خاص در حین عمل دارند و این امر باعث کاهش کارایی آنها گردیده است.
شکل 2-محدودهای ازکاربردهای فوتوکاتالیستها[10]
شکل 3-نمونه ای از کاربرد فوتوکاتالیستها
راهکارهایی برای بهبود و افزایش کارایی مواد نانو فوتو کاتالیست بررسی شده است و در این خصوص از روشهای مدلسازی ریاضی چون شبکههای سیستم عصبی مصنوعی با استفاده از مدل ریاضی که خصوصیات سیستم بیولوژیکی را توصیف میکند، استفاده میشود. بررسی روشهای آموزش و یادگیری شبکههای عصبی مصنوعی و بررسی مدلسازی با استفاده از شبکههای عصبی مصنوعی مورد توجه فراوان قرار گرفته است[4].
————————————————
[1]Biotechnology
[2] Information Technology
شکل 4-واکنش فوتوکاتالیستی برای تولید هیدروژن
مشکلات فوتوکاتالیستها
عمده ترین مشکل فوتوکاتالیستها وجود شکاف انرژی زیاد در آن است (فاصله انرژی بین ترازهای پرشدهی الکترونی و ترازهای خالی الکترونی را شکاف انرژی مینامند) که بر همین اساس کارایی و بازدهی آن کاهش مییابد و به دنبال آن هزینههای اقتصادی نیز به دنبال خواهد داشت.
شکل 5- شکاف انرژی و طول موج نور جذبی برحسب نیمه رساناهای مختلف [5]
مشکل دیگر فوتوکاتالیستها قیمت آن است که شامل مراحل ساخت و مواد اولیه آن میشود. با توجه به نوع فوتو کاتالیست قیمت آن نیز متفاوت است با توجه به این که بعضی از آنها در دسترس نیستند باید هزینه بیشتری را برای تهیه آن صرف کرد.
انجمن صنعت فوتوکاتالیست ژاپن بر اساس یک نظر سنجی، حجم فروش شرکتهایی که جزو انجمن صنعت فوتو کاتالیست ژاپن را بررسی کرده است. در این بررسی، مواد مصرفی سطح خارجی(منظور موادی که برای پوشش سطوح مختلف به کار میرود) بیش از نیمی بازار فوتو کاتالیستی را تشکیل میدهند و عبارت اند از: محصولات خود تمیز شونده مانند کاشیها و پنجرههای شیشهای رنگ- مصالح ساختمانی. همچنین مواد مصرفی داخلی درداخل تجهیزات تولید شده بکار میروند. پس باتوجه به شکل (7) بیشتر کاربرد مواد فوتوکاتالیستی در پوشش سطوح خارجی مواد به کار میرود[7].
شکل 7-بازار فوتو کاتالیستی برای برای محصولات برای پوشش سطوح خارجی[6]
راه حل
برای رفع مشکل و کم کردن شکاف انرژی فوتو کاتالیستها از ترکیب آن با یکدیگر و یا استفاده از دو نوع کاتالیست همزمان بهره میجویند. البته راه حلی مبتنی بر نانوفناوری وجود دارد که با افزایش بازدهی و توجیه اقتصادی همراه است.
شکل 8-در شکل بالا عملکرد بهتر تیتانیا بعد و قبل از آلایش با نقره نشان داده شده است [7]
درشکل 8 همانطورکه ملاحظه میشود، نمودار آبی رنگ مربوط به قبل از ترکیب با نقره است و نمودارهای سبز و قرمز رنگ مربوط به بعد از ترکیب است که افزایش میزان جذب را پس از ترکیب با نقره نشان میدهد، البته این موضوع میتواند عملکرد را بهتر نماید. (تفاوت ما بین bو c در نوع تیتانیای به کار رفته است که یکی از این دو rutileو دیگری anatase میباشد)
راه حل مبتنی بر فناوری نانو
قبلا توضیح داده شد که با استفاده از ترکیب فوتوکاتالیستها میتوان عملکرد آن را بهبود بخشید، اما نه به اندازه کافی. حال با نانو کردن ذرات فوتوکاتالیست و تشکیل نانوفتوکاتالیست عملکرد آن به صورت چشمگیری افزایش پیدا میکند به این صورت که این کار باعث افزایش قابل ملاحظه سطح برای انجام واکنش میشود.
کاربرد فتوکاتالیست در سلولهای خورشیدی
با توجه به اینکه فتوکاتالیستها طیفهای نوری مختلفی را جذب میکنند (برای مثال در تیتانیا جذب در طیف مرئی و فرابنفش اتفاق میافتد) استفاده از آنها در سلولهای خورشیدی موجب جذب بالاتر نور و در نتیجه افزایش بازده سلول میشود. همچنین اکثر فتوکاتالیستها خاصیت خود تمیز شوندگی و ضد بخار و ضد گرد و غبار بودن دارند، پس استفاده از آنها در سلولهای خورشیدی موجب میشود، نیازی به تمیزکاریهای بعدی وجود نداشته باشد و همچنین خاصیت ضد غبار بودن موجب افزایش جذب نور خورشید و بازده سلول میشود.[12]
روند ثبت اختراع در ژاپن، امریکا و کشورهایی از اروپا از سال 1987 تا سال2000 صعودی بوده است. افزایش ناگهانی از سال 1994 به دلیل کشف اثر superhydrophilicity بوده است. از سال 2000تا 2002 روند کاهش پیدا میکند واز سال 2000 تا 2007 با افزایش فعالیت شرکت هایی نظیرdi nippon printing co ; ltd و toshiba corporation و کاهش فعالیتهای شرکت هایی نظیر TOTO ltd و fujifilm corporation وindustries ltd daikin روندی صعودی و نزولی دارد.
بررسی فناوری فوتوکاتالیستها در ایران و سایر کشورها
- ساخت فوتوکاتالیست قابل بازیافت جهت تصفیهی آبهای آلوده، تولید شده در دانشگاه محقق اردبیلی
- تولید رنگهای فوتوکاتالیستی با قابلیت جذب آلایندههای هوا تولید شده دردانشگاه علم و صنعت ایران با استفاده از فناوری نانو
- ساخت نانو بتن فوتوکاتالیست برای تصفیه فاضلاب شیمیایی
- تصفیه پسابهای صنعتی با استفاده از روش تجزیه نانوفوتوکاتالیستی و …
جدول 1- شرکتهای فعال در زمینهی نانوفوتوکاتالیست در خارج از کشور
البته شرکتهای فعال زیادی در جهان وجود دارد که از میان این شرکتها، 7 شرکت به طور خلاصه در جدول 1 نام برده شده است.
| کشور | نام شرکت |
| تایوان | Genesis Nanotech Corporation |
| مالزی | Arc Flash Corporation |
| مالزی | Nanopac |
| چین | Chengyin Technology |
| امریکا | Greenmillenniu |
| امریکا | KRONOS |
| ژاپن | Photocatalyst industry association of japan |
با توجه به شرکتهای نام برده در جدول (2) محصولات هرکدام شامل موارد زیر میشود
:جدول 2- شرکتهای فعال در زمینهی نانوفوتوکاتالیست در داخل کشور
| کشور | نام شرکت |
| ایران | نانو پارسه |
| ایران | نانو پاسارگاد نوین تنها نمایندگی شرکت us research nanomaterials |
| ایران | شرکت تحقیقاتی و صنعتی نانو پوشش فلز |
| ایران | توسعه دانش و فناوری ایلیا |
شرکت نانو پارسه: فعالیت در زمینه فتوکاتالیست-آنتی استاتیک که در زمینه دور نگه داشتن گرد و غبار از سطوح میباشد، همچنین از دیگر محصولات نانو محافظ سنگ و سیمان، نانو محافظ سنگ و چوب، نانو محافظ پلاستیک میتوان نام برد.
شرکت نانو پاسارگاد نوین: این شرکت در زمینههای واردات و فروش نانو مواد از کشورهایی همچون آلمان و آمریکا فعالیت میکند و محصولاتی چون تیتانیا (نوعی فتوکاتالیست) و همینطور انواع نانو مواد تحت پوشش قرار میدهد.
شرکت تحقیقاتی وصنعتی نانو پوشش فلز: فعالیت در زمینه نانو پوشش فلز و نانو سیال و همچنین بهینه سازی مصرف انرژی با استفاده از فناوری نانو. محصولات این شرکت انواع نانو سیالها، نانو پوششها و…. میباشد.
شرکت توسعه دانش و فناوری ایلیا: فعالیت در زمینه تولید کاتالیست و مواد نانو ساختار.
در سال 2009 نرخ بازار جهانی برای محصولات فوتوکاتالیستی 848 میلیون دلار (تولید ، مواد مصرفی، سایر) بود. (با توجه به شکل (11) منظور از تولید همان مواد تولیدی است که از خود فتوکاتالیستها مستقیماً استفاده میشود مانند فتوکاتالیستهایی که در روی سطوح استفاده میشوند تا سطح را تمیز کند و منظور از مواد مصرفی، موادی که در تولید آنها از فتوکاتالیستها استفاده شده است مانند کاربرد فتوکاتالیستها در سیمان، و منظور از سایر محصولات فتوکاتالیستهای نانو مقیاس هستند). نرخ رشد سالانه محصولات از سال 2009 تا سال 2014، 3/14 درصد پیشبینی شده بود، حجم محصولات جهانی به نرخ 7/1 میلیارد دلار در 2014 رسید. با توجه به شکل (11) که تا سال 2014 را پوشش میدهد، بزرگترین حجم فروش مواد فوتوکاتالیستی، بخش مواد تولیدی بودندکه افزایش فروش آنها از 3/740 میلیون دلار در سال 2009 به تقریبا 5/1 میلیون دلار در سال 2014 ارتقا یافته است و محصولات مصرفی در طول دورهی پنج سال (2009-2014) 2/13 درصد افزایش یافته است که متناسب با آن حجم فروش این محصولات در بازار از 1/85 میلیون دلار در سال 2009 به 4/158 میلیون دلار در سال 2014 افزایش یافته است. محصولات دیگر از مجموع 1/22 میلیون دلار فروش در سال 2009 حجم کوچکتری را به خود اختصاص دادند و به نرخ 6/33 میلیون دلار در سال 2014 رسیده است. شکل 11 فروش کل محصولات فوتوکاتالیستی در بازار را نشان میدهد. فوتوکاتالیستهای نانو مقیاس در داخل این مقادیرگنجانده شدهاند، اما به صورت جزئی تاکیدی بر آنها نشده است. با این حال، درصد محصولات نانو مقیاس قابل تولید در طول سالهای اخیر افزایش یافته است و این روند احتمالا در آینده ادامه خواهد داشت[11].
اثرات زیست محیطی فوتوکاتالیستها
در کل فوتوکاتالیستها در محیط زیست نقش مثبتی را ایفا میکنند طوری که در از بین بردن انواع آلودگیها مخصوصا روی سطوح کاربرد بسیاری دارند.
محققان نمایی برای از بین بردن آلودگیهای آلی موجود در آب با استفاده از فوتوکاتالیستها ارایه کردند[11] در مقالات متعددی به از بین بردن آلودگیها توسط فوتوکاتالیستها و یا تصفیه پساب توسط فوتوکاتالیستها اشاره شده است.
جمع بندی:
فتوکاتالیستها واکنشهای شیمیایی تحت نور را افزایش میدهند. با استفاده از فتوکاتالیستهای مقیاس نانو بازده کاتالیزوری به طور قابل توجهی افزایش مییابد. تیتانیوم دی اکسید رایجترین فتوکاتالیست است. بخش عمده تلاش R&D همچنان که مواد فتوکاتالیستی جدید توسعه مییابند صرف بهینه سازی مواد موجود میشود.کاربردها شامل استفاده از سطوح خود تمیز شونده، ضد بخار، ضد میکروبی یا خواص تجزیه آب است.
و در آخر اینکه با استفاده از فتوکاتالیستها در صنایع مختلف همچون سلولهای خورشیدی باعث بهبود عملکرد و همچنین پنجرهای را رو به آینده برای افزایش راندمان این سلولها میتوان گشود.
————————————————–
مراجع
[1] https://fa.wikipedia.org/wiki/فناوري_نانو
[2] ماهنامه فناوری نانو شهریور 90 شماره 6
[3] http://en.wikipedia.org/wiki/Energy_applications_of_nanotechnology
[4] http://www.greenrhinoenergy.com/solar/technologies/pv_cells.php
[5] L.Cassar, “Photocatalysis of Cementitious Materials: Clean Buildings and Clean Air “Cambridge University Press, 2004
[6] A. F. Taketoshi Murakami, “Expanding Industrialization of Photocatalysts,” sangakukan, 2010
[7]http://www.beilstein-journals.org/bjnano/single/articleFullText.htm?publicId=2190-4286-4-40
[8] بهنام خانی زاده . مرتضی خسروی , “بررسی اثر نانوفوتوکاتالیستها در تخریب آلایندههای شیمیایی موجود در پسابها ومدلسازی با استفاده ازشبکه عصبی مصنوعی,” درسومین همایش ملی کاربردهای شیمی درفناوریهای نوین, 1392.
[9] محمود صمدپور”فوتوکاتالیستها وکاربردهای آنها”. ماه نامه فناوری نانو .شماره 12, p. 173, دهم اسفند ماه 90
[10] ماهنامه فناوری نانو اسفند 90 شماره 12
[11] ماهنامه فناوری نانو ابان 93 شماره 8
[12] حدادی، محمد، افشارپور، مریم، اصفهانی، عباس، تاثیر اثر فتوکاتالیستی و آبدوستی نانو ذرات دی اکسید تیتانیوم در حفاظت از آثار تاریخی، فصلنامه تخصصی دانش و مرمت میراث فرهنگی، سال پنجم ، شماره4، زمستان88
——————————–
تهیه و تنظیم:
رقیه قاسمپور، سینا امینی
گروه رصد و پایش محتوای ترویج صنعتی انرژی های نو و تجدید پذیر
=======================
برای دسترسی به فایل PDF کلیه گزارشات، به بخش گزارش های صنعتی پایگاه اینترنتی نانو و صنعت (www.INDnano.ir/category/report) مراجعه نمایید.
