Ανάπτυξη υβριδικών μικρο- και νανοπορώδων υλικών για τεχνολογικές και περιβαλλοντικές εφαρμογές

Abstract

In this PhD thesis new porous materials and their magnetic hybrid derivatives were successfully developed, characterized and tested for various environmental and technological applications. Specifically, carbon porous materials with ordered and non-ordered structure were developed using mainly biomass, as well as derivatives from carbon and silica. More specifically, ordered mesoporous carbon CMK-3 like, was synthesized from a mixture of stevia and maltodextrin as a carbon source and at four different carbonization temperatures, possessing very high surface area. Another ordered carbon material is the 3-Dimensional Ordered Macroporous made from various carbon precursors such as pine resin, stevia and furfuryl alcohol. The latter, was evaluated for its catalytical performance on the oxidation of alkenes. Moreover, non-ordered carbon porous materials were synthesized and studied as well as their magnetic hybrid derivatives. Specifically, magnetic hybrid carbon was successfully developed from starch and combined with iron oxide nanoparticles. Also, non-ordered porous carbon materials were successfully developed using another polysaccharide, glucomannan. The in-situ development of iron-based magnetic nanoparticles was selected for both cases. Moreover, a microporous material with a polymeric organic framework was studied and evaluated for its performance in the purification of solutions contaminated with hexavalent chromium. The mechanism of the photocatalysis reactions, were kinetically investigated, as well as modeling of the materials properties was performed. Finally, a novel form of carbon nanorods has been developed and tested for their ability to enhance the mechanical properties of polystyrene nanocomposites. To increase the dispersion of carbon nanorods in the polymer matrix, they have been oxidized and surface modified. All the above-mentioned samples were fully characterized using a combination of analytical techniques including FT-IR, Raman, UV-Vis and XPS spectroscopies, X-ray Diffraction, thermal measurements, nitrogen and mercury porosimetries, Scanning Electron Microscopy, Transmission Electron Microscopy and Atomic Force Microscopy, Mossbauer and SQUID magnetic measurements and mechanical testing with DMA.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή παρασκευάστηκαν και μελετηθήκαν νέα πορώδη υλικά καθώς και μαγνητικά υβριδικά παράγωγά τους και αξιολογήθηκαν σε διάφορες περιβαλλοντικές και τεχνολογικές εφαρμογές. Συγκεκριμένα, πορώδη υλικά άνθρακα με οργανωμένη και μη-οργανωμένη δομή πόρων αναπτύχθηκαν κυρίως με πρώτη ύλη βιομάζα, καθώς και παράγωγα υλικά από άνθρακα και πυριτία. Συγκεκριμένα, μεσοπορώδης άνθρακας τύπου CMK-3 συντέθηκε έχοντας ως πηγή άνθρακα μείγμα στέβιας και μαλτοδεξτρίνης, σε τέσσερις διαφορετικές θερμοκρασίες ανθρακο-ποίησης, παρουσιάζοντας πολύ υψηλές τιμές ειδικής επιφάνειας. Ένα άλλο υλικό με οργανωμένη διάταξη πόρων που παρασκευάστηκε ήταν το μακροπορώδες υλικό τύπου 3-DOM, χρησιμοποιώντας διάφορες πηγές άνθρακα όπως ρητίνη πεύκου, στέβια και φουρφουρυλική αλκοόλη. Το υλικό 3-DOM από φουρφουρυλική αλκοόλη, αξιολογήθηκε ως προς την καταλυτική του απόδοση για την εποξείδωση αλκενίων. Παράλληλα, υλικά με μη-οργανωμένη δομή πόρων παρασκευάστηκαν και μελετήθηκαν καθώς και μαγνητικά υβρίδια χρησιμοποιώντας τα υλικά αυτά ως πρόδρομες ενώσεις. Συγκεκριμένα, μαγνητικά υβρίδια με βάση πορώδη άνθρακα από άμυλο αναπτύχθηκαν επιτυχώς σε συνδυασμό με νανοσωματίδια οξειδίων του σιδήρου. Επιπρόσθετα, πορώδη υλικά άνθρακα μη-οργανωμένης δομής πόρων, αναπτύχθηκαν με χρήση διαφορετικού πολυσακχαρίτη, τη γλυκομαννάνη. Μαγνητικά υβρίδια και στην περίπτωση αυτή παρασκευάστηκαν με την in-situ ανάπτυξη νανοσωματιδίων με βάση το σίδηρο. Επιπρόσθετα, μελετήθηκε ένα μικροπορώδες υλικό τύπου πολυμερικού οργανικού δικτυώματος και αξιολογήθηκε ως προς την ικανότητά του για τον καθαρισμό υδατικών διαλυμάτων μολυσμένων με εξασθενές χρώμιο. Διερευνήθηκε επίσης ο μηχανισμός της κινητικής των αντιδράσεων φωτοκατάλυσης σε διάφορες συνθήκες και πραγματοποιήθηκε μοντελοποίηση των ιδιοτήτων του υλικού. Τέλος, αναπτύχθηκε μια καινοτόμα μορφή νανοράβδων άνθρακα και δοκιμάστηκαν ως προς τη δυνατότητά τους για τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των νανοσύνθετων υλικών με βάση το πολυστυρένιο. Για την αύξηση της διασποράς των νανοράβδων αυτών στην πολυμερική μήτρα, πραγματοποιήθηκε οξείδωση και επιφανειακή τροποποίησή τους. Όλα τα προαναφερόμενα δείγματα χαρακτηρίστηκαν πλήρως με ένα συνδυασμό αναλυτικών τεχνικών όπως φασματοσκοπίες FT-IR, Raman, UV-Vis και XPS, περίθλαση ακτίνων-X, θερμικές μετρήσεις, ποροσιμετρίες αζώτου και υδραργύρου, SEM, TEM, AFM, μαγνητικές μετρήσεις Mössbauer και SQUID, μετρήσεις μηχανικής αντοχής και DMA.