Νέα αυτο - οργανούμενα νανοπορώδη στερεά για προσροφητικές και καταλυτικές διεργασίες

Abstract

The synthesis of new micro- and meso-porous solids is an important field of research worldwide. The diversity in their chemical and physical properties originating from the chemical composition of inorganic or inorganic-organic framework, structrure and porosity is responsible for their wide range of technologically important applications. In particular, catalysis and energy related applications are considered the most important. Catalysis, either homogeneous or heterogeneous, plays and important role to our modern society, because valuable products ranging from high value chemicals, to polymers and gasoline are accessible at an industrial scale through catalytic processes At the same time, energy consumption in our modern society is a real concern because conventional energy sources (petroleum, natural gas and coal) are directly associated with climate change including global warming among others. The present thesis, deals with the synthesis and characterization of new porous materials for application in heterogeneous catalysis (vanadium based catalysts) as well as in selective hydrogen and CO2 storage (organo-silicates and graphene-based materials). The thesis includes four (4) chapters and an annex with information on the techniques that were used. The first chapter includes the bibliographic review. In the second chapter, the synthesis and characterization of mesostructure and mesoporous vanadosilicates solid are reported, as well as a preliminary catalytic evaluation. Chapter three and four deals with the synthesis and characterization of nanoporous organosilica solids and carbon based materials, respectively. For these materials, extensive hydrogen, CO2 and CH4 sorption studies were conducted. All solids were fully characterized with a variety of experimental techniques, including powder X-ray diffraction (PXRD), specific surface area and distribution of porous, thermogravimetric analysis (TGA), elemental analysis (C, N, H), Raman and FT-IR spectroscopy, UVvis/near IR diffuse reflectance spectroscopy, scanning electron microscopy coupled with energy depressive spectroscopy (EDS) and transmission electron microscopy (TEM)

Η σύνθεση νέων μίκρο- και μέσο-πορωδών στερεών αποτελεί ένα σημαντικό πεδίο έρευνας σε παγκόσμιο επίπεδο. Τα πορώδη στερεά λόγω της χημικής σύστασης του ανόργανου ή ανόργανου – οργανικού σκελετού, της δομής, του πορώδους, της ειδικής επιφάνειας και της κατανομής μεγέθους πόρων που διαθέτουν εμφανίζουν σημαντικές εφαρμογές σε ένα μεγάλο εύρος πεδίων. Ιδιαίτερα, η κατάλυση και οι ενεργειακές εφαρμογές αποτελούν ίσως δύο από τα σημαντικότερα πεδία στα οποία βρίσκουν χρήση τα πορώδη στερεά. Η κατάλυση κατέχει σήμερα κυρίαρχη θέση τόσο σε επίπεδο βασικής διεπιστημονικής έρευνας όσο και σε επίπεδο βιομηχανικών εφαρμογών παίζοντας ένα σημαντικό ρόλο στην καθημερινή μας ζωή. Ταυτόχρονα, η καθημερινή μας ζωή είναι άμεσα συνδεδεμένη με την κατανάλωση ενέργειας. Η κατανάλωση όμως ενέργειας, καθώς και συγκεκριμένες συμβατικές μέθοδοι παραγωγής της, έχουν οδηγήσει σε φαινόμενα όπως στην υπερθέρμανση της ατμόσφαιρας (φαινόμενο θερμοκηπίου) με τις γνωστές πλέον συνέπειες τόσο στο περιβάλλον όσο και στην υγεία του ανθρώπου (ρύπανση, έντονα και ακραία καιρικά φαινόμενα, κλπ). Στα πλαίσια αυτά και έχοντας σα κύριο στόχο την σύνθεση και τον χαρακτηρισμό νέων νανοπορωδών στερεών για προσροφητικές και καταλυτικές διεργασίες πραγματοποιήθηκε η παρούσα διατριβή. Η παρούσα διατριβή αποτελείται από 4 κεφάλαια και ένα παράρτημα με πληροφορίες για τις τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν. Το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει την βιβλιογραφική ανασκόπηση. Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρεται η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός μεσοδομημένων και μεσοπορωδών βαναδοπυριτικών στερεών και έχει κύριο στόχο την χρήση τους στο πεδίο της κατάλυσης. Στα πλαίσια της μείωσης των εκπομπών CO2 πραγματοποιήθηκε η μελέτη της αποθήκευσης υδρογόνου (πράσινος εναλλακτικός φορέας ενέργειας) καθώς επίσης και μελέτη της αποθήκευσης CO2 και της εκλεκτικότητας μεταξύ CO2 και CH4 σε δύο διαφορετικές οικογένειες νανο- υλικών (οργανοπυριτικά νανοπορώδη στερεά και υλικά βασισμένα σε άνθρακα). Έτσι λοιπόν, στο 3ο κεφάλαιο αναφέρεται η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νανοδομημένων υβριδικών οργανοπυριτικών στερεών (PNO) και πραγματοποιείται η μελέτη των προσροφητικών τους ιδιοτήτων. Τέλος στο τέταρτο κεφάλαιο αναφέρεται η σύνθεση, ο χαρακτηρισμός και η μελέτη των προσροφητικών ιδιοτήτων του άμορφου οξειδίου του γραφενίου. VIII Όλα τα στερεά χαρακτηρίστηκαν με πληθώρα τεχνικών συμπεριλαμβανομένων ακτίνων-Χ σε δείγματα σκόνης, μέτρηση ειδικής επιφάνειας και κατανομής των πόρων, θερμική ανάλυση (TGA/DSC), στοιχειακή ανάλυση (C,H,N), φασματοσκοπία υπερύθρου (FT-IR), Raman, ανακλαστικότητας ορατού–υπεριώδους-υπερύθρου (UVvis/ near IR), ηλεκτρονική μικροσκοπία διέλευσης (ΤΕΜ) και ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM).