Advanced oxidation and reduction processes based on composite photocatalysts of nanostructured titania
Authors: Χουσείν Ισλάμ 
Published: May 2022

Ο στόχος της διδακτορικής εργασίας ήταν η ανάπτυξης νέων καινοτόμων νανοδομημένων υλικών του οξειδίου του τιτανίου (TiO2), βολφραμίου (WO3) ή βαναδίου (V2O5) με ισχυρή φωτοκαταλυτική δράση, τα οποία δοκιμάστηκαν στην απορρύπανση του νερού. Σε αυτήν την εργασία, η έννοια των προηγμένων φωτοκαταλυτικών διεργασιών οξείδωσης και αναγωγής επεκτείνεται για πρώτη φορά σε θέματα πράσινης χημείας που βρίσκουν σημαντικές τεχνολογικές εφαρμογές στους τομείς της υγείας, του περιβάλλοντος και της βιομηχανίας. Στο πρώτο στάδιο αυτής της μελέτης συντέθηκαν υδροθερμικά νανοσωλήνες διοξειδίου του τιτανίου και φερρίτες του κοβαλτίου δομής σπινελίου με τη μέθοδο της συγκαταβύθισης. Ακολούθησε η συναπόθεση των ημιαγωγών με εμποτισμό και ο πλήρης δομικός και μορφολογικός χαρακτηρισμός των δυαδικά νανοσύνθετων υλικών TiO2/CoFe2O4. Τα κύρια χαρακτηριστικά των νέων υλικών ήταν η ισχυρή οπτική απορρόφηση στη περιοχή του ορατού, η μεγάλη ειδική επιφάνεια και η εξαιρετικά υψηλή απόδοση φωτοκαταλυτικής αναγωγής της 4-νιτροφαινόλης, που υπερβαίνει το 94% σε χρονικό διάστημα φωτισμού των 35 λεπτών.Σε επόμενο βήμα, το σύνθετο TiO2/CoFe2O4 προέκυψε από τη συναπόθεση νανοσωματιδίων TiO2 και φερριτών κοβαλτίου, τα οποία είχαν παρασκευαστεί με τεχνικές λύματος-πηκτής. Ακολούθησε η περαιτέρω τροποποίηση με νανοσωματίδια αργύρου, μέσω τη μέθοδο εμποτισμού, προς σχηματισμό του τριμερούς TiO2/CoFe2O4/Ag. Το νανοσύνθετο αξιολογήθηκε επιτυχώς ως προς τη αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου, όπου αναδείχθηκε ότι η φωτοκαταλυτική δράση οφείλονταν σε ενισχυμένη οπτική απορρόφηση λόγω πλασμωνικών φαινομένων, αποδοτικό διαχωρισμό των φωτοδιεγερμένων φορέων ρεύματος και αυξημένη ηλεκτροστατική έλξη μεταξύ καταλύτη και ιόντων χρωμίου. Στη συνέχεια, αναπτύχθηκε ένα λεπτό υμένιο διλειτουργικού φωτοκαταλύτη, που αποτελείται από γραφιτικό νιτρίδιο άνθρακα και τριοξείδιο του βολφραμίου (g-C3N4/W03) μέσω διαδοχικών εναποθέσεων προδρόμου διαλύματος του οξειδίου και εναιωρήματος του γραφιτικού υλικού σε ένα γυάλινο πλακίδιο. Το υμένιο παρουσίασε σημαντική φωτοκαταλυτική δράση στην αναγωγή του εξασθενούς χρωμίου και την αποικοδόμηση του αζοχρώματος κυανούν του μεθυλενίου στο νερό, ενώ πειράματα με κατάλληλους αναστολείς αποκάλυψε ότι τα κύρια δραστικά είδη είναι τα ηλεκτρόνια στις αντιδράσεις αναγωγής και οι οπές μαζί με τις ρίζες υπεροξειδίου για τις αντιδράσεις οξείδωσης.Η μελέτη συνεχίστηκε με τη παρασκεύη νέων διλειτουργικών φωτοκαταλυτών βαναδίας (V2O5), με την προσθήκη ανιονικών ή μη ιονικών επιφανειοδραστικών στο πρόδρομο διάλυμα και περαιτέρω θέρμανση υπό αναρροή. Ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων ανέδειξε ότι τα επιφανειδραστικά είχαν ισχυρή επίδραση στη μορφολογία τους, ενώ επηρεάζουν επίσης την κρυσταλλικότητα, τις οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες και τη χημεία της επιφάνειας των νέων φωτοκαταλυτών. Τα βέλτιστα V2O5 υλικά παρουσίασαν αξιοσημείωτη φωτοκαταλυτική απόδοση έναντι μίας σειράς βιομηχανικών και φαρμακευτικών ρύπων και ως εκ τούτου, προτείνονται ως πολύ αποτελεσματικοί καταλύτες για τις προηγμένες διεργασίες τόσο φωτοκαταλυτικής οξείδωσης όσο και αναγωγής . Τελικώς, g-C3N4/TiO2 καταλύτες συντέθηκαν υδροθερμικά μέσω της ανάμιξής TiO2 νανοσωματιδίων, που είχαν παρασκευάστηκαν αρχικά μέσω μιας μεθόδου λύματος-πηκτής, και g-C3N4, που είχε παρασκευαστεί μέσω της τεχνικής της θερμικής πολυμπύκνωσης. Μετά ακολούθησε η παρασκευή του τριμερούς Ag@g-C3N4/TiO2 μέσω της ενσωμάτωσης στοιχειακού νανοσωματιδίου αργύρου (Ag0 NP) με τεχνικές εμποτισμού. Τα παρασκευασμένα νανοσύνθετα παρουσίασαν υψηλή φωτοκαταλυτική απόδοση υπό υπεριώδη ακτινοβολία και τεχνητό ηλιακό φως, τόσο σε οξειδωτικές όσο και για αναγωγικές διεργασίες, και προσδιορίστηκε η βέλτιστη αναλογία συστατικών κατά τη φωτοαποικοδόμηση των πρότυπων οργανικών χρωστικών κυανούν του μεθυλενίου και ροδαμίνης Β, της φαρμακευτικής ουσίας της οξυτετρακυκλίνης, μαζί με τη φωτοδιάσπαση της 4-νιτροφαινόλης και του εξασθενούς χρωμίου.