Enhancement of photocatalytic activity of ZnO: a structural and morphological design

Kovács Zoltán
Enhancement of photocatalytic activity of ZnO: a structural and morphological design.
Doctoral thesis (PhD), University of Szeged.
(2024)

[thumbnail of Kovács Zoltán PhD dissertation.pdf] PDF (thesis)
Download (4MB)
[thumbnail of Kovács Zoltán theses.pdf] PDF (booklet)
Download (282kB)
[thumbnail of Kovács Zoltán tézisfüzet.pdf] PDF (booklet)
Download (287kB)

Abstract in Hungarian

A félvezető alapú fotokatalizátorok népszerűsége egyre nő, mivel egyre széleskörű alkalmazási lehetőségeiknek köszönhetően, amelyek folyamatosan bővül. Doktori munkám során különböző morfológiájú ZnO fotokatalizátorokat állítottam elő, és megvizsgáltam, hogy a szerkezeti és morfológiai módosítások hogyan befolyásolják a fotokatalitikus aktivitást. Elsőként a ZnO szolvotermális szintézise során alkalmazott redukált kísérleti terv (Box�Behnken) segítségével kimutattam, hogy egy szerkezeti jellemző, a krisztallitok (002) kristály síkok mentén történő preferenciális orientációja korrelál a fotokatalitikus aktivitással. A félvezetők morfológiai módosítása szintén fontos szempont a heterogén fotokatalízis területén, mivel közvetlenül befolyásolhatja az aktivitást. A korábban említett szintézismódszert módosítottam ZnO gömbök előállítására, alakformáló szerként dietanolamint használva. Két különböző ZnO prekurzor, illetve azok keverékeinek alkalmazásával kimutattam, hogy a ZnO gömbök átlagos mérete 155 nm és 3 μm között hangolható. Ezen kívül kimutattam, hogy a korábban leírt szerkezeti jellemző továbbra is szabályozható, a gömb morfológia módosítása nélkül. Bebizonyítottam, hogy a gömbmorfológia és a fotokatalitikus teljesítmény külön-külön is hangolható. Végül tovább módosítottam a szintézismódszert széngömb sablonok felhasználásával, hogy üreges gömbmorfológiájú ZnO-t állítsak elő. A sablonok alkalmazása ellenére a krisztallitok preferenciális orientációja továbbra is lehetséges, és az üreges gömb ZnO-k fotokatalitikus teljesítménye jobb volt, mint a referencia nem üreges, gömb ZnO-ké. A ZnO üreges gömbök katalitikus aktivitását tovább növeltem nemesfém (Au, Pt) nanorészecskékkel történő adalékolással. Összességében az elért eredmények azt mutatják, hogy a krisztallitok (002) mentén történő preferenciális orientációja meghatározó szempont a fotokatalitikus aktivitás szempontjából, függetlenül az alkalmazott morfológiai módosításoktól.

Abstract in foreign language

The popularity of semiconductor-based photocatalysts is still increasing, due to their expanding fields of application. During my doctoral work, I prepared ZnO photocatalysts with various morphology and examined how the structural and morphological modifications affect the photocatalytic performance. At first, I demonstrated that a structural feature, the preferential orientation of crystallites along (002) crystallographic planes of the ZnO crystallites correlates with the photocatalytic activity using a reduced experimental design (Box-Behnken) for the solvothermal synthesis of ZnO. Morphological modification of semiconductors is also an important aspect in the field of heterogeneous photocatalysis, as can directly influence the activity. I modified the previously mentioned synthesis method to prepare ZnO spheres, using diethanolamine as the morphological agent. By applying two different ZnO precursors, respective to their mixtures I showed that the average size of ZnO spheres can be tuned between 155 nm and 3 μm. In addition, I demonstrated that the previously described structural feature can still be controlled, without modifying the morphology. I showed that spherical morphology and photocatalytic performance can be tuned separately. Lastly, I further modified the synthesis method using carbon sphere templates to prepare ZnO hollow spherical morphology. Despite the application of the templates, the preferential orientation of crystallites is still possible and the photocatalytic performance of the hollow spherical ZnOs was superior compared to the reference solid spherical ZnOs. I further improved the catalytic activity of ZnO hollow spheres by doping with noble metal (Au, Pt) nanoparticles. Overall, the achieved results demonstrate that the preferential orientation of crystallites along (002) is a determining aspect of the photocatalytic activity, regardless of the morphological modifications applied.

Item Type: Thesis (Doctoral thesis (PhD))
Creators: Kovács Zoltán
Hungarian title: A ZnO fotokatalitikus aktivitásának növelése: a szerkezeti és morfológiai tervezés
Supervisor(s):
Supervisor
Position, academic title, institution
MTMT author ID
Hernádi Klára
MTA doktora, egyetemi tanár, Miskolci Egyetem
10001688
Pap Zsolt
Tudományos munkatárs, PhD, Alkalmazott és Környezeti Kémiai Tanszék SZTE / TTIK / KI
10030440
Subjects: 01. Natural sciences > 01.04. Chemical sciences > 01.04.06. Applied and industrial chemistry > 01.04.06.25. Catalysis > 01.04.06.25.01. Heterogeneous catalysis
Divisions: Doctoral School of Chemistry
Discipline: Natural Sciences > Chemistry
Language: English
Date: 2024. May 13.
Uncontrolled Keywords: ZnO, morfológia, gömb, alakorientált
Item ID: 11598
Date Deposited: 2023. Feb. 06. 08:26
Last Modified: 2024. May. 16. 08:46
Depository no.: B 7426
URI: https://doktori.bibl.u-szeged.hu/id/eprint/11598
Defence/Citable status: Not Defended. (Do not cite until it has not assigned DOI number!)

Actions (login required)

View Item View Item