Environmental performance of photocatalytic materials for energy save

Abstract

The incorporation of nanoparticles in the building industry is a further step towards green, efficient smart buildings. These applications can be found in building matrices, coatings or insulating applications. Nanostructured titanium dioxide (TiO2), zinc (ZnO), and other oxides, can be used as photocatalytic products, antibacterial, self-cleaning and water or germ repellents. In the case of photocatalysis, these nanoparticles have been widely used for indoor air quality and urban air quality through their use inside building materials. The two nanomaterials, namely TiO2 and ZnO, are studied in this PhD thesis. Different synthesis parameters like Temperature, Power, doping, oxygen vacancies enhancement via ammonia exposure, are investigated for their role in the photocatalytic performance of the nanoparticles. It has been proved that higher temperature and power leads to higher crystallinity, surface area and porosity, leading to higher photocatalytic activity. A nanomaterial with higher surface area therefore is also environmental friendlier as a small increase in temperature or power may enhance its activity as a photocatalyst. Specifically increasing the temperature has a positive effect on the ZnO nanostructures environmental sustainability, with 150 oC and 220 oC having a ~10% and ~41% lower total environmental footprint, compared to 90 oC. Also increased power has lower environmental footprint. Particularly the total environmental footprint of 310 W and 710 W is ~18% and ~27% lower than using 110 W. Doping led to higher photocatalytic results also. Co doped ZnO showed a 10% photocatalytic behavior under visible light. In and Al doped TiO2 samples had a good photocatalytic response (90% and 60%) under UV. Nanoparticles inside calcareous filler cement and cement paint were studied and high photocatalytic activity was found at the calcareous filler incorporating TiO2, specifically 12% degradation of HCHO under UV irradiation at Mn doped TiO2. Moreover cement and cement paint appeared to have a big adsorption of pollutants with cement having the lowest pollution rates. Organic compounds were found in calcareous building material and this decreased dramatically the performance of P25 inside this BM matrix. Nonetheless the highest photocatalytic results (12%) are achieved under calcareous fillers incorporating TCM. Therefore in construction industry, the choice of the matrix that will incorporate the photocatalytic nanomaterial is a crucial step.

Η ενσωμάτωση νανοσωματιδίων στην κατασκευαστική βιομηχανία αποτελεί ένα ακόμη βήμα προς την κατεύθυνση των πράσινων και βιώσιμων έξυπνων κτιρίων. Αυτές οι εφαρμογές μπορούν να βρεθούν σε μήτρες κτιρίων, επιστρώσεις ή σε μονωτικές εφαρμογές. Τα νανοσωματίδια του διοξειδίου του τιτανίου (TiO2), ο ψευδάργυρος (ZnO) και άλλα οξείδια, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως φωτοκαταλυτικά προϊόντα, αντιβακτηριακά, αυτοκαθαριζόμενα και απωθητικά για το νερό ή τα μικρόβια. Στην περίπτωση της φωτοκατάλυσης, αυτά τα νανοσωματίδια έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για την ποιότητα του εσωτερικού αέρα και την ποιότητα του αστικού αέρα μέσω της χρήσης τους μέσα σε δομικά υλικά. Τα δύο προαναφερθέντα νανοϋλικά, δηλαδή το TiO2 και το ZnO, μελετώνται σε αυτή τη διδακτορική διατριβή. Διαφορετικές παράμετροι σύνθεσης όπως η θερμοκρασία, η ισχύς, το doping, η αύξηση των κενών θέσεων οξυγόνου μέσω έκθεσης στην αμμωνία, διερευνώνται για το ρόλο τους στη φωτοκαταλυτική τους αποτελεσματικότητα. Έχει αποδειχθεί ότι η υψηλότερη θερμοκρασία και ισχύς κατά την διαδικασία της σύνθεσης τους, οδηγεί σε υψηλότερη κρυσταλλικότητα, ενεργός επιφάνεια και πορώδες, οδηγώντας έτσι σε υψηλότερη φωτοκαταλυτική δράση. Επομένως, ένα νανοϋλικό με υψηλότερη επιφάνεια είναι φιλικό προς το περιβάλλον καθώς μια μικρή αύξηση της θερμοκρασίας ή της ισχύος μπορεί να ενισχύσει τη δραστηριότητά του ως φωτοκαταλύτη. Συγκεκριμένα, η αύξηση της θερμοκρασίας έχει θετική επίδραση στο περιβαλλοντικό αποτύπωμα των νανοσωματιδίων ZnO, με 150 oC και 220 oC να έχουν συνολικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα ~ 10% και ~ 41% χαμηλότερο από αυτό των 90 oC. Επίσης, η αυξημένη ισχύς έχει μικρότερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Συγκεκριμένα το συνολικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα των 310 W και 710 W είναι ~ 18% και ~ 27% χαμηλότερο από αυτό των 110 W.Το doping (πρόσμιξη) οδήγησε επίσης σε υψηλότερα φωτοκαταλυτικά αποτελέσματα. Η πρόσμιξη του ZnO με κοβάλτιο έδειξε 10% μείωση της ακεταλδεΰδης, κάτω από ορατό φως. Τα νανοσωματίδια TiO2 που είχαν υποστεί πρόσμιξη με ίνδιο ή αλουμίνιο έδειξαν καλή φωτοκαταλυτική απόκριση (90% και 60%) υπό ακτινοβολία UV. Ενώ η πρόσμιξη τιτανίας με κοβάλτιο έδειξε 30% αποχρωματισμό του ρύπου υπό ορατή ακτινοβολία. Μελετήθηκε έπειτα η πρόσμιξη νανοσωματιδίων σε μήτρες δομικών υλικών, ασβεστοκονίας, τσιμεντοχρώματος και τσιμεντοκονίας. Παρατηρήθηκε ότι τα νανοσωματίδια TiO2 με προσμίξεις Mn μέσα σε ασβεστοκονία έδειξαν φωτοκαταλυτική δράση 12% στην αποδόμηση φορμαλδεΰδης υπό υπεριώδη ακτινοβολία. Επιπλέον, το τσιμεντόχρωμα και η τσιμεντοκονία, φαίνεται να έχουν πολύ μεγάλη προσρόφηση ρύπων που φτάνει μέχρι και ~60% μείωση του ρύπου. Οργανικές ενώσεις που βρέθηκαν στο οικοδομικό υλικό της ασβεστοκονίας φαίνεται να μείωσαν δραματικά την απόδοση του εμπορικού φωτοκαταλυτικού νανοϋλικού, Degussa- Ρ25 εντός αυτής της μήτρας. Συνεπώς, στον κατασκευαστικό κλάδο, η επιλογή της μήτρας που θα ενσωματώνει το φωτοκαταλυτικό νανοϋλικό είναι ένα κρίσιμο βήμα που χρειάζεται ενδελεχή μελέτη για τα πιθανά παραπροϊόντα που μπορεί να δημιουργηθούν.