Enhancement of photocatalytic activity of titanium dioxide-based photocatalysts
Authors: Gyulavári Tamás Zsolt 
Published: February 2021

Kutatómunkám során sikeresen alkalmaztam különböző módszereket TiO2 alapú fotokatalizátorok fotokatalitikus aktivitásának megnövelésére. A fotokatalitikus aktivitások, valamint az anyagszerkezeti és felületi tulajdonságok széleskörű vizsgálata révén fontos ok-okozati összefüggések kerültek jellemzésre. Nanoméretű rutil fázisú titán-dioxid sorozatot állítottam elő a szintézis során különböző mennyiségű hidrogén-peroxid alkalmazásával, melynek optimális mennyiségét nTi:nH2O2 = 1:2-nek állapítottam meg. A többi vizsgált anyagmennyiség-arányok alkalmazása során nem alakultak ki peroxo-csoportok a TiO2-ok felszínén. A fotokatalitikus aktivitás vizsgálata során megállapítottam, hogy a Rutil-H2 TiO2 fotokatalitikus aktivitása jelentősen nagyobb volt a sorozat többi tagjához képest fenol modellszennyező és látható fénnyel történő gerjesztés esetén, amely a referenciaként használt Aeroxide P25 és US-R.N. Rutil aktivitását is meghaladta. A kiemelkedő fotokatalitikus aktivitást a peroxo-csoportok elektronvonzó induktív effektusának és a látható fény tartományába eltolódó fényelnyelés eredőjével magyaráztam. A peroxo-csoportok fotokatalitikus aktivitásra gyakorolt hatását amorf és anatáz fázisú titán-dioxidok esetén is vizsgáltam. DRS mérésekkel kimutattam, hogy a fotokatalizátorok szintézise során a pH 3-ra történő emelésével azok gerjeszthetősége nagymértékben eltolódott a látható fény tartományába, melyet a tiltott sávon belüli lokalizált energiaállapotok megjelenésének tulajdonítottam, melyek kialakulása feltételezhetően a katalizátor amorf szerkezetével és kémiai összetételével (nátrium-titanát és Ti3+ jelenléte) hozható összefüggésbe. Továbbá, XPS mérések segítségével sikeresen kimutattam a saját készítésű mintákban a peroxo-csoportok jelenlétét (mely a Amorf-H2 minta esetén még az IR mérések segítségével is észlelhető volt). Ezekkel a tényezőkkel (a minták sajátos kémiai összetételével és szerkezetével) magyaráztam a fotokatalizátorok jelentős aktivitásnövekedését, mely a Amorf-H2 minta esetén meghaladta az összes vizsgált TiO2 fotokatalitikus aktivitását. Továbbá, az XPS mérések eredményeinek elemzése révén megállapítottam, hogy a peroxo-csoportok-okozta aktivitásnövekedés megőrzéséhez a TiO2 mintáknak bizonyos mértékű kristályossági fokkal kell rendelkezniük. A Rutil-H2 minta szintézismódszerét felhasználva TiO2 bevonatot alakítottam ki széngömb (CS) templátok felületén TiO2-CS kompozitok előállításához, melyeknek a későbbi kalcinálásával TiO2 üreges szerkezeteket (HS) hoztam létre. A TiO2-CS kompozitok és TiO2 üreges szerkezetek összehasonlításakor megállapítottam, hogy a széngömbök jelenléte a fotokatalizátorok kristályossági fokának és fotokatalitikus aktivitásának csökkenését eredményezi. A TiO2-HS minták hatékonyabbnak bizonyultak a TiO2-CS kompozit rendszereknél. A H2_HS_5 TiO2 rendelkezett a legjobb abszolút és a legjobb felületre vonatkoztatott fotokatalitikus aktivitással a vizsgált TiO2-ok közül. A kiemelkedő fotokatalitikus aktivitást a minta (üreges morfológiájából eredő) hatékonyabb fénycsapdázásával magyaráztam, illetve azzal, hogy a felületén a sorozat többi tagjához képest a szén a legkisebb mennyiségben, a poláris O–C=O funkciós csoportok pedig a legnagyobb mennyiségben voltak jelen, melyek feltételezhetően elősegítették a fotokatalizátor felülete és a víz (a fotokatalitikus aktivitási tesztek mátrixa) közötti közvetlen érintkezést. Végül, sikeresen állítottam elő tökéletes üreges gömb morfológiájú titán-dioxidokat egy másik (nem Rutil-H2-alapú) szintézismódszer és más paraméterek alkalmazásával. A morfológiai szempontból legjobb tulajdonságú TiO2-ot használtam fel arany és platina nanorészecskék (0,25 tömegszázalékban történő) leválasztásához. SEM és TEM mérésekkel igazoltam, hogy a morfológia a nemesfémleválasztást követően is változatlan maradt, továbbá, a nemesfém nanorészecskék egyenletesen oszlottak el a TiO2-HS-ök felületén. Az üreges gömb morfológia, és a nemesfémek jelenlétéből adódó fotokatalitikus aktivitásnövekedést fenol és oxálsav modellszennyezők bontásával vizsgáltam UV és látható fénnyel történő gerjesztés esetén egyaránt, nemesfémet nem tartalmazó üreges, és tömör gömb morfológiájú referencia TiO2-ok felhasználásával. Látható fénnyel történő gerjesztés esetén az arannyal módosított minta bizonyult a legjobbnak, míg UV-val történő gerjesztéskor a platinával módosított üreges TiO2 mutatta a legnagyobb fotokatalitikus aktivitást mind fenol, mind oxálsav esetén. A fenol UV fénnyel történő bontása során tapasztalt fotokatalitikus aktivitásbeli sorrendet a minták hatékonyabb fénycsapdázó tulajdonságával hoztam összefüggésbe: a fotokatalitikus aktivitás abban a sorrendben növekedett, ahogy a minták gömbátmérőinek nagyobb hányada esett a gerjesztő fény hullámhosszának egész számú többszörösének közelébe, vagyis ahol a konstruktív interferencia fellépése nagyobb mértékben volt feltételezhető.