Υψηλής ακρίβειας σύνθεση υβριδικών κεραμικών νανο-καταλυτών για περιβαλλοντικές εφαρμογές

Abstract

In the present work, a relatively new class of materials, the so-called “core-shell” was studied. The interest was focused on the preparation of core-shell nanoparticles through simple, environmentally friendly and economical methods with the further aim of applying them to the restoration of the environment. Increasing catalytic activity and selectivity, as well as reducing the cost of catalysts, will greatly benefit the chemical industry.In Chapters 1-3, a general theoretical background is presented, aiming at the complete understanding of the problems that this work focuses, as well as the ways of solving them.In Chapter 4, reference is made to the study and preparation of core-shell nanospheres, consisting of silicon dioxide as a core and cerium oxide as a shell. The successful creation of the shell as well as the optimum coating were established through the characterization by Transmitting Electron Microscopy (TEM). The materials were characterized by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), X-ray Diffractometry (XRD) and Nitrogen Porosimetry. The material found with the optimum coating as well as a pure cerium oxide were tested for their photocatalytic activity in the oxidation of gaseous NO, where the results were not encouraging but their catalytic activity over the reduction of the organic water-soluble pollutant 4-nitrophenol to 4-aminophenol, showed a better behavior.Subsequently, in Chapter 5, with the aim of enhancing the photocatalytic activity of the above material, nanoparticles of almost spherical shape were employed, consisting of titanium oxide as a core and cerium oxide as a shell, and their characterization by TEM, FTIR, XRD and nitrogen porosimetry was conducted. Photocatalytic activity against oxidation of NO gas was examined, which was clearly improved with excellent results, as well as the catalytic activity towards the reduction of the organic 4NP pollutant.Chapter 6 presents the study and preparation of core-shell nanospheres consisting of silica core and zinc oxide as a shell, as well as the synthesis of pure zinc oxide in order to compare the two materials to their catalytic and photocatalytic activity. Characterization of the materials with TEM, FTIR, XRD and nitrogen porosimetry is included.The investigation of photocatalytic and catalytic activity showed that in the case of oxidation of the gaseous pollutant the two materials are excellent catalysts, whereas in the case of the reduction of the organic water-soluble pollutant, the core shell nanoparticles (CSNp) and the pure oxide showed low activity.In Chapter 7, study and preparation of core-shell nanospheres, consisting of silica core and titanium oxide as a shell, were performed. At the same time, a pure titanium oxide synthesis was performed in order to compare the two materials to their catalytic and photocatalytic activity. The characterization of the materials using TEM resulted in the successful creation of the shell. Other techniques such as FTIR, XRD and nitrogen porosimetry were also employed. Investigation of photocatalytic and catalytic activity showed that the two materials are excellent catalysts in both cases. Finally, Chapters 8-9 point out the general conclusions of the PhD thesis as well as the proposals for future research.

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, πραγματοποιήθηκε μελέτη και παραγωγή μίας σχετικά νέας κατηγορίας υλικών, τα λεγόμενα υλικά πυρήνα-κελύφους. Το ενδιαφέρον στράφηκε στην παρασκευή νανοσωματιδίων πυρήνα-κελύφους μέσω απλών, περιβαλλοντικά φιλικών και οικονομικών μεθόδων με περαιτέρω στόχο την εφαρμογή αυτών στην αποκατάσταση του περιβάλλοντος. Η ενίσχυση της καταλυτικής δραστικότητας και εκλεκτικότητας καθώς και η μείωση του κόστους των καταλυτών θα ωφελήσει κατά πολύ τη χημική βιομηχανία.Στα Κεφάλαια 1-3, παρουσιάζεται ένα γενικό θεωρητικό υπόβαθρο που στοχεύει στην απόλυτη κατανόηση των προβλημάτων στα οποία εστιάζει η εν λόγω εργασία αλλά και τους τρόπους επίλυσής τους.Στο Κεφάλαιο 4, γίνεται αναφορά στη μελέτη και παρασκευή νανοσφαιριδίων πυρήνα-κελύφους, αποτελούμενων από διοξείδιο του πυριτίου ως πυρήνα και οξείδιο του δημητρίου ως κέλυφος. Η διερεύνηση της επιτυχούς δημιουργίας του κελύφους καθώς και της βέλτιστης επικάλυψης πραγματοποιήθηκε μέσω του χαρακτηρισμού με την τεχνική της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διερχόμενης Δέσμης (ΤΕΜ). Ακολούθησε χαρακτηρισμός των υλικών με Φασματοσκοπία Υπερύθρου μέσω Μετασχηματισμού Fourier (FTIR), Περιθλασιμετρία ακτίνων Χ (XRD) και Ποροσιμετρία αζώτου. Το υλικό που είχε τη βέλτιστη επικάλυψη, αλλά και το αμιγές υλικό της επικάλυψης (καθαρό οξείδιο του δημητρίου) εξετάστηκαν ως προς τη φωτοκαταλυτική τους δραστικότητα για την οξείδωση του ανόργανου αέριου ρύπου μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ) αλλά τα αποτελέσματα δεν ήταν ενθαρρυντικά. Παρομοίως τα δύο υλικά εξετάσθηκαν ως προς την καταλυτική τους δραστικότητα για την αναγωγή του οργανικού υδατοδιαλυτού ρύπου 4-Νιτροφαινόλη σε 4-Αμινοφαινόλη επιδεικνύοντας καλύτερη συμπεριφορά . Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 5, έχοντας ως στόχο την ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δραστικότητας του ανωτέρω υλικού, περιγράφεται η μελέτη που πραγματοποιήθηκε για την παραγωγή νανοσωματιδίων πυρήνα-κελύφους σχεδόν σφαιρικού σχήματος, αποτελούμενων από οξείδιο του τιτανίου ως πυρήνα και οξείδιο του δημητρίου ως κέλυφος. Ο χαρακτηρισμός αυτών πραγματοποιήθηκε με ΤΕΜ, FTIR, XRD και ποροσιμετρία αζώτου. Εξετάστηκε η φωτοκαταλυτική δραστικότητα έναντι της οξείδωσης του αέριου ρύπου ΝΟ, η οποία ήταν σαφώς βελτιωμένη, αφού ελήφθησαν εξαιρετικά αποτελέσματα, όπως επίσης βελτιωμένη ήταν και η καταλυτική δραστικότητα έναντι της αναγωγής του οργανικού ρύπου 4ΝΡ. Στο Κεφάλαιο 6 παρουσιάζεται η μελέτη και η παρασκευή νανοσφαιριδίων πυρήνα-κελύφους, αποτελούμενων από πυριτία ως πυρήνα και οξείδιο του ψευδαργύρου ως κέλυφος, αλλά και η σύνθεση αμιγούς οξειδίου του ψευδαργύρου με σκοπό τη σύγκριση των δύο υλικών στην καταλυτική και φωτοκαταλυτική τους δραστικότητα. Δίδονται τα αποτελέσματα του χαρακτηρισμού των υλικών με ΤΕΜ, FTIR, XRD και ποροσιμετρία αζώτου. Τα αποτελέσματα της διερεύνησης της φωτοκαταλυτικής και καταλυτικής δραστικότητας έδειξαν ότι στην περίπτωση της οξείδωσης του αέριου ρύπου ΝΟ τα δύο υλικά αποτελούν εξαιρετικούς καταλύτες, ενώ αντίθετα στην περίπτωση της αναγωγής του οργανικού υδατοδιαλυτού ρύπου, τόσο τα σωματίδια πυρήνα κελύφους όσο και το αμιγές οξείδιο έδειξαν πολύ χαμηλή δραστικότητα. Στο Κεφάλαιο 7, παρουσιάζεται η μελέτη και παρασκευή νανοσφαιριδίων πυρήνα-κελύφους, αποτελούμενων από πυριτία ως πυρήνα και οξείδιο του τιτανίου ως κέλυφος. Ταυτόχρονα έγινε και σύνθεση αμιγούς οξειδίου του τιτανίου με σκοπό τη σύγκριση των δύο υλικών στην καταλυτική και φωτοκαταλυτική τους δραστικότητα. Από τον χαρακτηρισμό των υλικών με τη χρήση του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου διερχόμενης δέσμης προέκυψε η επιτυχής δημιουργία του κελύφους. Πραγματοποιήθηκε χαρακτηρισμός και με άλλες τεχνικές όπως FTIR, XRD και ποροσιμετρία αζώτου. Τα αποτελέσματα της διερεύνησης της φωτοκαταλυτικής και καταλυτικής δραστικότητας έδειξαν ότι τα δύο υλικά αποτελούν εξαιρετικούς καταλύτες και στις δύο περιπτώσεις. Τέλος στα Κεφάλαια 8-9 παρατίθενται τα γενικά συμπεράσματα της εν λόγω διδακτορικής διατριβής καθώς και οι προτάσεις για μελλοντική έρευνα.