Φωτοκαταλυτική μετατροπή CO2 σε υδρογονάνθρακες με χρήση τροποποιημένων νανοϋλικών τιτανίας
Authors: Μουστάκας Νικόλαος 
Published: September 2021

Η υπερθέρμανση του πλανήτη και η αυξημένη ζήτηση σε ενέργεια θεωρούνται δύο από τα πιο κρίσιμα προβλήματα που η ανθρωπότητα αντιμετωπίζει τις τελευταίες δεκαετίες. H αυξημένη αυτή ενεργειακή ζήτηση δε μπορεί να καλυφθεί με βιώσιμο τρόπο από τα υπάρχοντα αποθέματα των ορυκτών καυσίμων. Τα αέρια του θερμοκηπίου που παράγονται μέσω δραστηριοτήτων του ανθρώπου (ανθρωπογενείς εκπομπές) και ιδιαίτερα του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) είναι κυρίως υπεύθυνα για την παγκόσμια αύξηση της θερμοκρασίας και τη μεταβολή του κλίματος του πλανήτη, προκαλώντας ακραία καιρικά φαινόμενα. Μία εναλλακτική και φιλική προς το περιβάλλον μέθοδος παραγωγής ενέργειας είναι η τεχνητή φωτοσύνθεση (artificial photosynthesis). Όπως η φυσική φωτοσύνθεση χρησιμοποιεί το νερό, το CO2 και το ηλιακό φως για την παραγωγή γλυκόζης στους χλωροπλάστες, η τεχνητή φωτοσύνθεση μετατρέπει το CO2 σε υδρογονάνθρακες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν ξανά ως καύσιμα (solar fuels). Έτσι επιτυγχάνεται η ταυτόχρονη μείωση της συγκέντρωσης του CO2 στην ατμόσφιαρα και η κάλυψη μέρους της ενεργειακής ζήτησης. Στην τεχνητή φωτοσύνθεση το ρόλο των χλωροπλαστών παίζουν ημιαγώγιμα νανοδομημένα υλικά που ονομάζονται φωτοκαταλύτες. Οι φωτοκαταλύτες βασισμένοι στο TiO2 είναι καλοί υποψήφιοι για τη φωτοκαταλυτική μετατροπή του CO2 σε υδρογονάνθρακες, καθώς βρίσκονται σε αφθονία στη φύση, μη τοξικοί και περιβαλλοντικά φιλικοί. Το κύριο μειονέκτημα τους είναι η περιορισμένη στο υπεριώδες (UV) ικανότητα απορρόφησης φωτός. Στην παρούσα διατριβή πραγματοποιείται η σύνθεση τροποποιημένων φωτοκαταλυτών TiO2, ενεργών στην ορατή ακτινοβολία, με τη μέθοδο sol-gel combustion χρησιμοποιόντας ουρία ως καύσιμο. Οι φωτοκαταλύτες βελτιστοποιούνται ως προς την ποσότητα της ουρίας και την θερμοκρασία ανόπτησης με το βέλτιστο υλικό (m-TiO2) να εμφανίζει απορρόφηση στην ορατή ακτινοβολία (566nm). Το m-TiO2 χαρακτηρίζεται με ένα πλήθος τεχνικών (UV-Vis, FT-IR, micro-Raman, TEM, SEM, XPS, XRD) και αποδεικνύεται ότι αποτελείται από έναν ανόργανο πυρήνα TiO2 επίκαλυμμένο με ένα οργανικό κέλυφος (inorganic/organic core-shell). Επιπλέον μέθοδοι χαρακτηρισμού (στοιχειακή ανάλυση, ποροσιμετρία αζώτου, μέτρηση γωνίας επαφής, κυκλική βολταμετρία, θερμοκρασιακά προγραμματισμένη εκρόφηση) παρέχουν σημαντικές πληροφορίες για τις ιδιότητες του υλικού. Οι φωτοκαταλυτικές ιδιότητες του υλικού εξετάζονται αρχικά (σε μορφή σκόνης) στην αποικοδόμηση της χρωστικής κυανό του μεθυλενίου (Methylene Blue) υπό διαφορετικού τύπου ακτινοβόληση επιδεικνύοντας υψηλή απόδοση ακόμα και υπό ορατή ακτινοβολία. Στη συνέχεια το υλικό ακινητοποιείται σε κυλινδρικές κεραμικές μεμβράνες γ-αργιλίας για την ανάπτυξη μίας υβριδικής διεργασίας φωτοκατάλυσης/υπερδιήθησης. Οι μεμβράνες αυτές τοποθετούνται σε ειδικά σχεδιασμένο φωτοκαταλυτικό αντιδραστήρα επεξεργασίας υδατικών ρύπων και χρησιμοποιούνται για την αποικοδόμηση των χρωστικών κυανό του μεθυλενίου και πορτοκαλί του μεθυλίου (Methyl Orange) σε μία διεργασία με υψηλή απόδοση υπό UV και ορατή ακτινοβολία με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας. Τέλος, το m-TiO2 χρησιμοποιείται για την φωτοαναγωγή του CO2 σε υδρογονάνθρακες. Η πειραματική διαδικασία διεξάγεται σε φωτοκαταλυτικό αντιδραστήρα σε περιβάλλον υψηλής καθαρότητας. Το υλικό παρουσιάζει υψηλή απόδοση και εκλεκτικότητα στην παραγωγή μεθανίου (CH4). Τέλος με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα προτείνεται ένας πιθανός μηχανισμός για τη φωτοαναγωγή του CO2 βασίσμένος στην πορεία του καρβενίου.