TiO2-based photocatalysts and photo-reactive coatings for water and air cleaning

Előnézet	PDF (disszertáció) Download (4MB) | Előnézet
Előnézet	PDF (tézisfüzet) Download (399kB) | Előnézet
Előnézet	PDF (tézisfüzet) Download (405kB) | Előnézet

Magyar nyelvű absztrakt

Munkám során TiO2-alapú fotokatalizátorokat és fotokatalitikus nanokompozitokat állítottam elő és vizsgáltam azok alkalmazhatóságát szerves szennyezőanyagok fotokatalitikus lebontására. Nanokompozit alatt értünk minden olyan két vagy több szilárd fázisból álló heterogén anyagot, amelyben legalább az egyik fázis a nano mérettartományba esik. Ezen anyagcsoportba változatos kémiai szerkezetű és tulajdonságú anyagok sorolhatók, ennek köszönhetően felhasználási lehetőségeik nagy teret hódítanak a heterogén katalízis területén is. Népszerűségük annak köszönhető, hogy két vagy több anyag hasznos funkcióit ötvözve olyan tulajdonságokat nyújtanak, amelyekre önmagában egyik anyag sem lenne képes; más szavakkal, szinergizmus lép fel. TiO2-grafén-oxid (TiGO) nanokompozitok fotokatalitikus alkalmazhatóságát vizsgáltam folyadék/szilárd határfelületen, fenol oldat fotodegradációján. Bár a GO lamellák optikai árnyékoló hatása és a felületi rögzítésből adódó felületvesztés miatt a katalizátor valamelyest veszített a hatékonyságából, azonban percek alatt bekövetkező ülepedése a katalizátor gyors elválasztását teszi lehetővé, aminek pedig a gyakorlati felhasználás szempontjából óriási jelentősége van. Megfigyeltem, hogy a GO vizes közegben, a felületén megkötött TiO2 jelenlétében, UV bevilágítás hatására átalakul grafén-szerű, szén síkhálóval és kevés felületi funkciós csoporttal rendelkező redukált anyaggá (rGO). A kémiai átalakulás ellenére a rGO felületén kötve tartja a TiO2 részecskéket. Ebből következik, hogy a fotokatalizátor részecskék között fellépő elektrosztatikus kötőerők gyenge diszperziós, van der Waals kötések egészülnek ki. A részecskék közti vonzó hatás erős mechanikai hatásra megszüntethető, ugyanakkor a kötőerők nem szűnnek meg véglegesen és a folyamat reverzibilis jellegéből adódóan a részecskék enyhe kevertetéssel újra koaguláltathatók. A 2 m/mt%-ban GO-t tartalmazó nanokompozit könnyen visszanyerhető volt és fotokatalitikus hatékonysága négy egymást követő ciklus után sem romlott. Praktikus okokból közkedvelt megoldás a katalizátor makroszkópos felületen való rögzítése (pl. a reaktor falán, alján), így nem kell külön időt és energiát fordítani annak eltávolítására a fotokatalitikus ciklus végén. A rögzítő anyagnak több szempontból eleget kell tennie a kívánalmaknak: legyen olcsó, ellenálló és lehetőleg minél kevésbé csökkentse a fotokatalizátor hatékonyságát. A polimer alapú rögzítő anyagok igen népszerűek katalizátor részecskék immobilizálására is, azonban gyakran probléma azok csökkent UV-ellenálló képessége, különösen fotokatalizátor jelenlétében. Továbbá, mivel ezek nem pórusos anyagok, a katalizátor-részecskék teljes beborításával óhatatlanul csökkentik azok fotokatalitikus aktivitását. Szabályozott idejű és energiájú UV-kezeléssel a TiO2/polimer réteg „elő-aktiválható”, így a kompakt polimer-réteg integrációjának részleges megbontásával növelhető a filmek fotokatalitikus aktivitása. A folyamat mértéke szabályozható továbbá UV-fényre nem bomló, szervetlen agyagásványok hozzáadásával, amelyek valamelyest csökkentik a polimer degradációját, ugyanakkor pórusosabbá teszik a filmet és jó adszorpciós tulajdonságaikkal hozzájárulnak a szerves szennyezők megkötéséhez. Nemesfém nanorészecskék hozzáadásával növelhető a TiO2 hatékonysága UV-látható fény alatt, mely részben a nemesfém részecskék plazmonikus sajátságának, részben pedig a fém/félvezető határfelületen megvalósuló jobb elektron-transzportnak köszönhető, amely csökkenti a töltéshordozók rekombinációra való hajlamát. A TiO2 felületen depozitolt Ag azért érdekes, mert a besugárzó fény hullámhosszával hangolható az oxidációs állapota. Különböző oxidációs állapotú (Ag2O, AgO és Ag)- TiO2 filmek fotokatalitikus aktivitását összevetve nem találtam jelentős különbséget (± 2,5% konverzió) etanol fotooxidációján. Úgy találtam, hogy sem az előállítás jellege (in situ depozíció vagy fizikai keverés), sem az előzetes fénybevilágítás nem eredményez jelentős különbséget azonos Ag (m/mAg%=0,5) tartalmú filmek esetében UV-látható megvilágítás alatt. TiO2 minták morfológiája és kristályszerkezete jól hangolható a sav koncentrációjának változtatásával hidrogén-titanát nanoszálak savas hidrotermális reakciója során. .Anatáz-brookit-, illetve rutil-dús minták keletkeztek a savkoncentráció növelésével, melynek következtében a minták változatos alakzatokban kristályosodtak ki. A minták optikai tulajdonsága és a számolt tiltott sáv energiák jól követték a mintában jelen levő többségi polimorf jellemző irodalmi értékét. Az elektron-transzport folyamatok és az elektron-lyuk rekombináció mértéke kétség kívül meghatározó faktora a fotokatalizátor aktivitásának. A fotovoltammetriás mérések erről adtak információt, ami jól korrelált a fotokatalitikus tesztekkel...

Tétel nézet