Synthesis and characterization of nanostructured porous materials for environmental and energy applications
Authors: Καστρινάκη Γεωργία 
Published: September 2021

Η παρούσα διατριβή ερευνά το σχεδιασμό και τη σύνθεση πορωδών σωματιδίων για εφαρμογήστον έλεγχο εκπομπής ρύπων ντίζελ. Για τις παραπάνω διεργασίες είναι επιθυμητή η χρήσηπορωδών σωματιδίων διαφόρων δομών και για αυτό το σκοπό αναπτύχθηκαν οι παρακάτωμορφολογίες σε διαφορετικές συνθήκες: πορώδη σωματίδια ομοιόμορφης δομής (uniformlyporous particles), σωματίδια συμπαγούς πυρήνα και πορώδους κελύφους (solid core porous shellparticles), πορώδη σωματίδια με επιφανειακά νανοσωματίδια (surface decorated porous particles),πορώδη σωματίδια με ενσωματωμένα νανοσωματίδια (porous particles with subsurface inclusions)τα οποία συντέθηκαν με την τεχνική πυρολύσεως νέφους αερολύματος (Aerosol Spray Pyrolysis –ASP) υπό διαφορετικές συστάσεις και συνθήκες σύνθεσης. Τα πορώδη σωματίδια περιέχουνκαταλυτικά νανοσωματίδια των οποίων η θέση και η διασπορά ποικίλει ανάλογα με τη μορφολογίατων σωματιδίων, έτσι ώστε να επιτρέπεται η μέγιστη (πρακτικά πλήρης) πρόσβαση στον καταλύτητων αντιδρώντων όταν τα νανοσωματίδια βρίσκονται στην επιφάνεια του σωματιδίου ήπεριορισμένη/ελεγχόμενη πρόσβαση όταν βρίσκονται στον πυρήνα ενός πορώδους κελύφους ήδιεσπαρμένα σε ολόκληρη την εσωτερική πορώδη επιφάνεια του σωματιδίου.Ο σχεδιασμός των τεσσάρων μορφολογιών προέρχεται από τις ανάγκες του ελέγχου εκπομπήςρύπων κινητήρων ντίζελ και πιο συγκεκριμένα από την οξείδωση της αιθάλης στο σωματιδιακόφίλτρο αιθάλης (DPF) και των υδρογονανθράκων, του μονοξειδίου του αζώτου (ΝΟ) και τουμονοξειδίου του άνθρακα (CO) στον οξειδωτικό καταλύτη ντίζελ (DOC). Ο σκοπός είναι η σύνθεσηκαταλυτών με μεγάλη ειδική επιφάνεια βασιζόμενων σε νανοδομημένα πορώδη σωματίδια για τηναντίδραση με σωματιδιακούς και αέριους ρύπους.Η εύκολη πρόσβαση του των σωματιδιακών ρύπων στα επιφανειακά καταλυτικά νανοσωματίδιαπορωδών σωματιδίων καθιστά αυτή τη δομή κατάλληλη για την οξείδωση της αιθάλης, καθώς καιτο πορώδες του σωματιδίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για επεξεργασία αερίων ρύπων. Η σύστασητων καταλυτικών νανοσωματιδίων βασίστηκε σε προηγούμενη μελέτη μικτών οξειδίων δημητρίου.Τα πορώδη σωματίδια με επιφανειακά νανοσωματίδια συντέθηκαν υπό διαφορετικές συστάσειςκαι συνθήκες σύνθεσης και αξιολογήθηκαν από θερμοβαρυμετρική ανάλυση για την αξιολόγησητης δραστικότητάς τους για την οξείδωση της αιθάλης, οδηγώντας στο συμπέρασμα ότι ταπολυκρυσταλλικά νανοσωματίδια δημητρίου ενισχύουνε την καταλυτική οξειδωτική δράση.Οι μεγάλες ειδικές επιφάνειες ενδείκνυνται για την οξείδωση αερίων, επομένως η μορφολογίαενός πορώδους υποστρώματος (support) με διεσπαρμένα καταλυτικά νανοσωματίδια μέσα στοπορώδες δίκτυο θα ικανοποιούσε από τη μία τις ανάγκες για επεξεργασία αερίων και από την άλληθα απέτρεπε την πυροσυσσωμάτωση των καταλυτικών νανοσωματιδίων σε υψηλές θερμοκρασίες. Προσμίξεις πλατίνας, δημητρίας και νατρίου διαφορετικής αναλογίας mole μελετήθηκαν για τηνεπίδρασή τους στο σχηματισμό πορώδης πυριτίας και αλουμίνας, δείχνοντας ότι το δημήτριο σεαντίθεση με το νάτριο προάγει το σχηματισμό πόρων. Τα καταλυτικά πορώδη σωματίδιααξιολογήθηκαν για τη δραστικότητά τους σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης, όπου τα σωματίδια μετη βέλτιστη πορώδη δομή (Ce-Pt) παρουσιάζουν την υψηλότερη δραστικότητα. Η οξείδωση τουμονοξειδίου του αζώτου και των υδρογονανθράκων στα ενεργά καταλυτικά κέντρα αξιολογήθηκεαπό μία θεωρητική ανάλυση, η οποία περιλαμβάνει την κινητική των αντιδράσεων καθώς και έναπαράγοντα περιορισμού μεταφοράς μάζας που σχετίζεται με την πορώδη δομή του σωματιδίου.Τέλος, πορώδη σωματίδια με ενσωματωμένα νανοσωματίδια εναποτέθηκαν σε δύο διαφορετικάυποστρώματα DOC και DPF, τα οποία διέθεταν ίδια καταλυτική επιφάνια και καταλύτη καιμελετήθηκαν κάτω από παρόμοιες πειραματικές συνθήκες με σκοπό να αξιολογηθεί ηδραστικότητά τους στην οξείδωση του μονοξείδιο του αζώτου παρουσία και απουσία μονοξειδίουτου άνθρακα (CO) και υδρογονανθράκων (HC) καθώς και την αξιολόγησή τους ως προς τηνοξείδωση του CO και HC, δείχοντας ότι το DOC έχει υψηλότερη δραστικότητα από το DPF λόγω τηςμεγαλύτερης αέριας χωρικής ταχύτητας στα κανάλια του.