Ανάπτυξη τροποποιημένων νανοσωματιδίων τιτανίας για φωτοκαταλυτική οξείδωση αέριων ρύπων

Abstract

Ιn this PhD dissertation, TiO2 nanoparticles were modified with surfactants of different hydrophilicity and hydrophobicity in monophasic (water or ethanol) and biphasic (water/toluene) solvent systems. The synergistic effect of these properties was also studied in both cases. The commercial photocatalyst of Evonic Degussa, P25 was used as TiO2 source.A major part of this work was the investigation of the synergistic effect of modified photocatalysts with building materials such as cement and paints. Thus, photoactive white cement with a ratio of 2.5, 1 and 0.5 % w/w modified and non-modified photocatalyst was prepared. Composite photocatalytic paints are also prepared with 20 % w/w modified and non-modified photocatalyst.The size distribution and surface charge of modified photocatalyst nanoparticles in aqueous or organic non-polar solvents and their possible binding to the modifier were determined by various techniques such as Dynamic Light Scattering (DLS), Thermal Analysis (TG/DTA/DTG) and Infrared Spectroscopy (FTIR) respectively. The morphology of the particles was studied by the technique of Transmission Electron Microscopy (TEM). The energy band gap of the prepared materials was calculated with the use of Diffuse Reflectance method. The ISO/DIS 22197-1: 2016 standard method was also used to estimate the photonic efficiency of composite materials as for the oxidation of NO gaseous pollutants. All modified TiO2 nanoparticles exhibited better photocatalytic activity compared to P25, both in terms of oxidation of NO air pollutant (up to 5 times) and air purification from both pollutants, NOx and the intermediate produced pollutant NO2. More specifically, the optimal photocatalytic properties are shown for composite materials modified with hydrophilic surfactants in monophasic water solvent system.The photonic efficiency of composite cement building materials with TiO2 modified with combination of hydrophobic and hydrophilic compounds in biphasic water/toluene solvent system showed the greatest improvement over the use of commercial photocatalyst. Τhe investigation of topography and analysis of photocatalytic cement samples synthesis were conducted through the method of Scanning Electron Microscopy–Energy Dispersive X-ray Analysis (SEM-EDΑX).Additionally, in the case of photoactive paints with modified titania with a combination of hydrophilic and hydrophobic organic groups, long-term photocatalytic behavior was observed accompanied by 25 % extra NOx pollutant removal relative to the use of unmodified titania.

Στην παρούσα Διδακτορική Διατριβή πραγματοποιήθηκε επεξεργασία νανοσωματιδίων τιτανίας με τροποποιητές διαφορετικής υδροφιλικότητας και υδροφοβικότητας σε μονοφασικό (νερό ή αιθανόλη) και διφασικό (νερό/τολουένιο) σύστημα διαλυτών. Μελετήθηκε, επίσης, η συνεργιστική δράση αυτών των ιδιοτήτων και στις δύο περιπτώσεις. Ως πηγή TiO2 χρησιμοποιήθηκε ο εμπορικός φωτοκαταλύτης της Evonic Degussa, P25. Σημαντικό μέρος των εργασιών αποτέλεσε η μελέτη της συνεργιστικής δράσης των τροποποιημένων φωτοκαταλυτών με δομικά υλικά όπως τσιμέντο και χρώματα. Σε αυτήν την κατεύθυνση παρασκευάστηκε φωτοενεργό λευκό τσιμέντο με συστάσεις 2.5, 1 και 0.5 % w/w, καθώς και σύνθετα φωτοκαταλυτικά χρώματα με έως και 20 % w/w τροποποιημένου και μη φωτοκαταλύτη. Η κατανομή μεγέθους και το επιφανειακό φορτίο των νανοσωματιδίων του τροποποιημένου φωτοκαταλύτη σε υδατικούς ή οργανικούς μη πολικούς διαλύτες και οι πιθανοί δεσμοί τους με τον τροποποιητή προσδιορίστηκαν με διάφορες τεχνικές όπως η Δυναμική Σκέδαση Φωτός (DLS), η Θερμική Ανάλυση (TG/DTA/DTG) και η Φασματοσκοπία Υπερύθρου (FT-IR) αντίστοιχα. Η μορφολογία των σωματιδίων μελετήθηκε με την τεχνική της Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Διελεύσεως (TEM). Ο υπολογισμός του ενεργειακού χάσματος των υπό εξέταση υλικών πραγματοποιήθηκε μέσω της μεθόδου της Διάχυτης Ανάκλασης (Diffuse Reflectance). Χρησιμοποιήθηκε, επίσης, η πρότυπη μέθοδος ISO/DIS 22197–1:2016 προκειμένου να αξιολογηθεί η φωτοενεργότητα των σύνθετων υλικών ως προς την οξείδωση του αέριου ρύπου NO.Όλα τα τροποποιημένα υλικά παρουσίασαν καλύτερη φωτοκαταλυτική δραστικότητα σε σύγκριση με το Ρ25, τόσο ως προς την οξείδωση του αέριου ρύπου ΝΟ (έως και 5 φορές μεγαλύτερη) όσο και ως προς τον καθαρισμό του αέρα και από τους δύο ρύπους, το ΝΟx και το παραγόμενο ως ενδιάμεσο προϊόν ΝΟ2. Αναλυτικότερα, οι βέλτιστες φωτοκαταλυτικές ιδιότητες παρουσιάζονται για τα σύνθετα υλικά που έχουν τροποποιηθεί με υδρόφιλες επιφανειοδραστικές ουσίες σε μονοφασικό σύστημα με διαλύτη νερό.Η φωτονική αποδοτικότητα των σύνθετων δομικών υλικών τσιμέντου με τιτανία που έχει τροποποιηθεί με συνδυασμό υδρόφοβων και υδρόφιλων ενώσεων σε διφασικό σύστημα διαλυτών νερού/τολουενίου παρουσίασε τη μεγαλύτερη βελτίωση σε σχέση με τη χρήση του εμπορικού φωτοκαταλύτη. Η διερεύνηση της «τοπογραφίας» και της ανάλυσης της σύνθεσης των φωτοκαταλυτικών τσιμεντοειδών υλικών πραγματοποιήθηκε με την τεχνική της Hλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης Σκεδαζόμενης Ενέργειας Ακτίνων Χ (SEM-EDAX).Επιπροσθέτως, στην περίπτωση των φωτοενεργών χρωμάτων με τροποποιημένη τιτανία με συνδυασμό υδρόφιλων και υδρόφοβων οργανικών ομάδων, παρατηρήθηκε βελτιωμένη μακροπρόθεσμη φωτοκαταλυτική συμπεριφορά συνοδευόμενη από 25 % επιπλέον απομάκρυνση ρύπων ΝΟx σε σχέση με τη χρήση μη τροποποιημένης τιτανίας.