فعالیت فوتوکاتالیستی ZnO به طول موج های ناحیه UV محدود است. این نیمه رسانا یک باند گپ پهن در حدود ۳٫۲ev دارد که می تواند تنها نور UV با طول موج های پایین(زیر) nm 387 را جذب کند.
سرعت بالای تشکیل دوبارهی حفره(چاله) الکترون تولید کننده نور،مانع کاربرد صنعتی این نیمه رسانا
می شود. تلاش های فراوانی برای اصلاح نانوذرات ZnO به منظور افزایش خاصیت کاتالیزوری در ناحیه ی نور مرئی صورت گرفته است.

دوپل کردن فلزات هادی (انتقالی) مثل نقره،پالادیم، پلاتنیم و طلا با ZnO ممکن است سودمند باشد، این فلزات باعث کاهش تشکیل دوبارهء حفرهالکترون می شود.
یک محدودیت دیگر ZnO پهن بودن انرژی باند گپ (ev 3.2) که جذب نور را تنها در ناحیه ی UV محدود می کند، می باشد. یک استراتژی ممکن برای گسترش جذب نوری اکسید روی به نور مرئی تغییر مکان پیوند ظرفیت بوسیله ی دوپل کردن آن با نافلزاتی چون C,N,S,… است.
از میان نافلزات N بدلیل دارا بودن اندازه ی تناسب نسبت به O و داشتن کمترین انرژی یونش کاملاٌ قابل قبول است. نافلزات دوپل شده در ZnO باعث باریک شدن باند گپ و جابه جایی جذب نوری به ناحیهء مرئی می شود [۱۱۰].
۴-۱-۱ XRD
طیف پراش پرتو X نمونه ZnO/C,N,S در زاویه پراش ۱۰=θ۲ تا ۹۰=θ۲ در شکل نشان داده شده است.از روی شکل پیک های مشخصه ، ساختار ورتسایت – هگزاگونال (Wurtzite Hexagonal) در زوایای پراش
̊ ۲۸=θ۲ (راستای (۱۰۰)) ، ̊ ۳۲=θ۲ (راستای ترجیحی(۰۰۲)) (PrefetionalOrientation) و
̊ ۳۵=θ۲ (راستای (۱۰۱)) مشاهده می شوند. از طیف پراش مشخص است که راستای ترجیحی در امتداد محور ۳۰ می باشد.
اندازه کریستالیت­ها (دانه­ها) از روی رابطه شرر (sherrer) در راستای ترجیحی(۰۰۲) حدود nm12.62
می باشد.
D=
k≈۰٫۹λ=۱٫۷۸A ̊β=FWHM
همچنین ، تعداد زیادی پیک مربوط به ساختارها (Zn₂(OH)₂SO₄) نیز در شکل مشاهده می شود.
بیناب) ۴-۱( طیف XRD مربوط به فوتوکاتالیستZnO/C,N,S
۴-۱-۲ FE-SEM
از تصاویر میکروسکوپ الکترونی،روش SEM در اندازه های بزرگنمایی متفاوت مشاهده می شود که سطح نمونه متشکل از توده های متراکم با اندازهء تقریبی nm300 می باشد که به صورت یکنواخت توزیع شده اند. در نگاه اول میان نتیجه ی بدست آمده از XRD که اندازه ی دانه ها در آن nm12.62 بدست آمده و تصاویر SEM تفاوت وجود دارد. اما می باید دانست که تصاویر میکروسکوپ الکترونی مربوط به سطح تجمعات agglomeratio
می باشد، می توان اینگونه توضیح داد که این تجمعات دربردارنده ی کریستالیت های نانومتری با اندازه ی بدست آمده از نتیجه ی XRD هستند.
بیناب) ۴-۲( طیف FE-SEM مربوط به فوتوکاتالیست ZnO/C,N,S
۴-۱-۳ XPS
از طیف XPS(X_ray Photoelectron Spectroscopy) (بیناب نگاری فوتوالکترون پرتو X) حضور عناصر O، Zn، C، N و S کاملاٌ مشخص است. ترازهای O 1s، Zn 3p، در تشکیل پیوند ZnO شرکت می کنند. درصدهای اتمی عناصر آشکار شده در سطح نمونه در جدول بیناب ۴-۴ نشان داده شده است. در محیط های غیر خلاء و غیر خنثی کربن و اکسیژن همواره حضور دارند در نتیجه درصد این عناصر در ترکیب نانو پودر بدست آمده قابل توجه است.
بیناب) ۴-۳( طیف XPS مربوط به فوتوکاتالیستZnO/C,N,S
۴-۱-۴ EDX
از طیف EDX مربوط به نمونه (ٍEnergy dispersion X-ray) عناصر C , N , O , S با درصدهای وزنی %Wt و اتمی %at تایید می شود.
نسبت­های بدست آمده از طیف EDX بصورت Zn/C/S/N (1.16-14.07 – 9.04-61.81) می باشد که با مقادیر اتمی در محلول(۱۰٫۹۱-۲۴٫۹۶-۱۴٫۰۳-۲۵٫۳۸) منطبق است و تفاوت موجود بین این مقادیر را می توان به فرار بودن مواد، تشکیل ترکیباتی با ساختارهای دیمر یا تریمر نسبت داد.
مقادیر قابل توجه درصد وزنی مربوط به Zn (61.81) نسبت به بقیه عناصر می تواند نشان دهنده این نکته باشد که بخش قابل توجهی از عنصر Zn بدون ایجاد پیوند با اکسیژن به صورت خالص به سطح نفوذ کرده است. این موضوع را می توان درصد اتمی روی و اکسیژن و نیز ظهور تعداد زیادی پیک مربوط به ترکیبات مختلف Zn در بیناب پرتو X نیز مشاهده کرد.
بیناب) ۴-۴( طیف EDX مربوط به فوتوکاتالیستZnO/C,N,S
۴-۲ رسم منحنی استاندارد جهت تعیین غلظت آلاینده
برای تعیین غلظت رنگ در طی واکنش های تخریب فوتوکاتالیزوری منحنی استاندارد که مربوط به جذب در maxλهای مربوط به آلاینده است طبق روشی که در بخش (۳-۵) ذکر شده است رسم شد. شکل (۴-۲) طیف جذبی محلول آلاینده با غلظت mg/L 20وشکل (۴-۳) منحنی استاندارد مربوط به آن را نشان می دهد.
شکل (۴-۲) طیف جذبی رنگ رودامین B با غلظت mg/L 20در طول موج nm354 و ۵۴۹
شکل (۴-۳) منحنی استاندارد جذب بر حسب غلظت رنگ رودامین B در طول موج nm354 و۵۴۹
۴-۳ نتایج بررسی آزمایشات تخریب فوتوکاتالیزوری رنگ
به منظور بررسی توانایی فوتوکاتالیزوری ZnO/C,N,S در تخریب رنگ ها، فعالیت آن بر روی ماده رنگی مورد ارزیابی قرار گرفت. در تمامی آنالیزها، به جز بررسی اثرغلظت آلاینده از محلولهای mg/L20 آلاینده استفاده شد و با بهره گرفتن از منحنی های استاندارد، غلظت رنگ باقی مانده پس از هر مرحله تابش دهی مورد سنجش قرار گرفت. در طی مراحل مختلف اثر عوامل مختلف بررسی گردید تا شرایط بهینه تخریب فوتوکاتالیزوری بررسی شود. نتایج این بررسی ها در قسمت های بعدی به تفصیل ٱمده است.
۴-۳-۱ نتایج بررسی توانایی فوتوکاتالیزوری فوتوکاتالیست های مختلف درتخریب آلاینده
توانایی فوتوکاتالیزوری ZnO/C,N,S، ZnO/pechini، ZnO/Cu، TiO₂ و SnO₂ طبق روشی که در بخش (۳-۶-۱) ذکر شده است، مورد بررسی قرار گرفت و مقایسه ای بین فعالیت فوتوکاتالیزوری آن ها در مدت زمان معین صورت گرفت. نتایج حاصله در شکل (۴-۴) نشان داده شده است. بنابر نتایج به دست آمده فوتوکاتالیزور ZnO فعالیت فوتوکاتالیزوری بالاتری نسبت به سایر فوتوکاتالیزورها در شرایط یکسان نشان می دهد. فعالیت فوتوکاتالیزوری ZnO نسبت به TiO₂ برابر ۹۲ به ۶۷ در PH خنثی و در مدت ۳۳۰ دقیقه می باشد. عموماً نیمه رساناها با باند گپ بزرگ دارای فعالیت فوتوکاتالیزوری بالایی می باشند. نیمه رساناهای ZnO و TiO₂دارای باند گپ مشابه و برابر با ev2/3 هستند و فعالیت فوتوکاتالیزوری می باشد [۱۱۱-۱۱۴].
فعالیت فوتوکاتالیزوری بستگی به بلورینگی، سایز ذرات، سطح مقطع و غلظت ناخالصی های موجود در کاتالیزور دارد. فعالیت فوتوکاتالیزوری SnO₂ همان طوری که در شکل (۴-۴) نشان داده شده ناچیز بوده که علت این امر برای SnO₂به دلیل باند گپ برابر ev87/3 است که تابش نور برای فعال کردن آن کافی نمی باشد.
CdS نیز دارای باند گپ کوچک ev (4/2 و ۳/۲) هستند که دائماً در آن ترکیب مجدد الکترون ـ حفره رخ می دهد و همین طور الکترون نوار هدایت در این نیمه رساناها توانایی انتقال به الکترون پذیرنده های موجود در محلول را ندارند، اگرچه فعالیت فوتوکاتالیزوری اندکی از آن ها مشاهده می شود.
شکل (۴-۴) بررسی اثر کاتالیست های مختلف در تخریب رنگ رودامین B. شرایط آزمایش
(غلظت محلول رنگیmg/L20، مقدار فوتوکاتالیزور mg7، مقدار اکسنده K2S2O83 میلی مولار، مدت زمان تابش ۳۳۰ دقیقه و PH خنثی)
۴-۳-۲ نتایج بررسی اثر تابش نور UV در تخریب رنگ
جهت بررسی اثر تابش نور فرابنفش بر تخریب رنگ، به منظور درک این نکته که تابش نور عامل اصلی در تخریب است یا فقط عامل بهبود در انجام واکنش، آزمایشاتی مطابق با روش (۳-۶-۲) هم در تاریکی و هم تحت تابش نور UV انجام شد. نتایج حاصل از این آزمون در شکل (۴-۵) آمده است. در صورت عدم تابش دهی با نور UV، تخریب آلاینده حتی در حضور فوتوکاتالیزور انجام نمی شود ولی همانطوریکه مشاهده می شود، منحنی تخریب رنگ نسبت به زمان در تاریکی اندکی سیر صعودی دارد. نتیجه بدست آمده در بردارنده دو احتمال است. احتمال اول شامل تخریب آلاینده به مقدار کم و احتمال دوم جذب شدن آن روی سطح فوتوکاتالیزور است.
این آزمایش نشان می دهد که توانایی نیمه رسانا به عنوان حساس کننده و افزایش تخریب فوتوکاتالیزوری آلاینده به علت برانگیختگی الکترون توسط نور ماوراء بنفش و تولید جفت الکترون- حفره است [۱۰۷].
شکل (۴-۵) بررسی اثر تابش نور روی تخریب رنگ رودامین B.
شرایط واکنش (غلظت آلاینده mg/L20، فوتوکاتالیزور mg7=ZnO، غلظت mM3= K2S2O8 و ۹=PH،زمان تابش ۳۳۰ دقیقه )
۴-۳-۳ نتایج بررسی اثر عوامل اکسنده بر تخریب فوتوکاتالیزوری
یک مشکل در استفاده از فوتوکاتالیزور ZnO ترکیب مجدد جفت الکترون- حفره در غیاب الکترون پذیرنده یا دهنده است که شدیداً سبب کاهش بازده کوانتومی می شود. یک روش برای جلوگیری از ترکیب مجدد الکترون ـ حفره اضافه کردن الکترون پذیرنده ها به واکنش می باشد. آن ها می توانند چندین اثر مختلف داشته باشند، همانند:
افزایش الکترون های به دام انداخته
افزایش تولید رادیکال ها و گونه های اکسید شده