Μελέτη του μηχανισμού εναπόθεσης βαναδικών ειδών στην επιφάνεια του οξειδίου του τιτανίου και της θερμοεξαρτώμενης εξέλιξης της δομής τους
Authors: Τέλλα Ελένη 
Published: August 2021

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή ασχοληθήκαμε με την εξακρίβωση του μηχανισμού εναπόθεσης του καταλυτικά δραστικού στοιχείου βαναδίου στην επιφάνεια της τιτάνιας, που λαμβάνει χώρα στο στάδιο της ισορροπίας της μεθόδου “Εναπόθεση Ισορροπίας-Διήθηση”, καθώς και της τοπικής δομής των σχηματιζόμενων επιφανειακών ειδών, τόσο στο στάδιο της ισορροπίας όσο και κατά την περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας.Για να πετύχουμε τα παραπάνω, ακολουθήσαμε τα εξής τέσσερα βήματα:1ο βήμα: προσδιορίσαμε τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του οξειδίου μας (προσδιορισμός ισοηλεκτρικού σημείου με πειράματα μικροηλεκτροφόρησης και προσδιορισμός σημείου μηδενικού φορτίου με πειράματα ποτενσιομετρικών τιτλοδοτήσεων) και μελετήσαμε τη διαφασική περιοχή που αναπτύσσεται μεταξύ του οξειδίου και του ηλεκτρολυτικού διαλύματος.2ο βήμα: προσδιορίσαμε τις φυσικοχημικές παραμέτρους της διεπιφανειακής περιοχής τιτάνιας/ηλεκτρολυτικού διαλύματος (εγγενείς σταθερές πρωτονίωσης των δύο ειδών επιφανειακών οξυγόνων της τιτάνιας, χωρητικότητες C1 και C2 της εσωτερικής και εξωτερικής στοιβάδας Stern αντίστοιχα, σταθερές σχηματισμού των ιοντικών ζευγών και κατανομή του φορτίου zi των αντισταθμιστικών ιόντων του ηλεκτρολύτη που σχηματίζουν τα ιοντικά ζεύγη). Αυτό το πετύχαμε με την περιγραφή ποτενσιομετρικών καμπυλών τιτλοδότησης αιωρημάτων τιτάνιας, με τη βοήθεια κατάλληλου υπολογιστικού προγράμματος επίλυσης χημικών ισορροπιών. Για το σκοπό αυτό υιοθετήσαμε το συνδυασμό ενός μοντέλου για την περιγραφή της διεπιφάνειας, τη σύγχρονη εκδοχή του μοντέλου των τριών επιπέδων (Three Plane Model, TPM), με δύο μοντέλα για την περιγραφή φόρτισης της επιφάνειας, το μοντέλο Music και το μοντέλο Α. Το μοντέλο Music δέχεται την ύπαρξη δύο ειδών επιφανειακών οξυγόνων, τα ακραία (TiOΗ) και τα γεφυρωμένα (Ti2O) με φορτία -0.33 και -0.67 αντίστοιχα και επιφανειακή πυκνότητα ίση με 6θέσεις/nm2. Τα παραπάνω φορτία προσδιορίζονται με την αρχή του σθένους δεσμού κατά Pauling. Το μοντέλο Α δέχεται την ύπαρξη δύο ειδών επιφανειακών οξυγόνων, τα ακραία (TiO) και τα γεφυρωμένα (Ti2O) με φορτία -0.35 και -0.57 αντίστοιχα και επιφανειακή πυκνότητα ίση με 5.6θέσεις/nm2. Το φορτίο των επιφανειακών οξυγόνων υπολογίστηκε με χρήση της θεωρίας του συναρτησιακού της ηλεκτρονικής πυκνότητας (Density Functional Theory, DFT) με το συναρτησιακό των Perdew-Burke-Ernzerhof το οποίο περιλαμβάνει και διορθώσεις βαθμίδας.3ο βήμα: εκτέλεση μιας πειραματικής μεθοδολογίας η οποία περιλαμβάνει ηλεκτροχημικές τεχνικές (ποτενσιομετρικές τιτλοδοτήσεις και πειράματα μικροηλεκτροφόρησης αιωρημάτων τιτάνιας παρουσία και απουσία βαναδικών ειδών), πειράματα προσρόφησης (για συγκεντρώσεις V(V) 2*10-2Μ – 3*10-3Μ και pH 4.0 – 9.0) και φασματοσκοπικές τεχνικές. Τα δείγματα HKVXOYZ-/TiO2 που ελήφθησαν από τα παραπάνω πειράματα προσρόφησης, χαρακτηρίστηκαν με φασματοσκοπία Laser-Raman. Σκοπός των πειραματικών μεθοδολογιών είναι ο προσδιορισμός του τρόπου της διεπιφανειακής εναπόθεσης των βαναδικών ειδών, καθώς επίσης και η απόκτηση μιας πρώτης εικόνας για την τοπική δομή των σχηματιζόμενων επιφανειακών ειδών.4ο βήμα: εφαρμογή κατάλληλων υπολογιστικών μεθοδολογιών σκοπός των οποίων είναι η περιγραφή των παραπάνω πειραματικών αποτελεσμάτων. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκε το υπολογιστικό πρόγραμμα επίλυσης χημικών ισορροπιών (Visual Minteq), στο οποίο ενσωματώθηκαν όλες οι φυσικοχημικές παράμετροι της διεπιφανειακής περιοχής που προσδιορίστηκαν παραπάνω. Η πολύ καλή περιγραφή των πειραματικών δεδομένων μας οδήγησε στην εξακρίβωση της τοπικής δομής των επιφανειακών ειδών, αλλά και στον προσδιορισμό των εγγενών σταθερών σχηματισμού τους.Οι πειραματικές μεθοδολογίες έδειξαν ότι υπάρχει μεγάλη χημική συγγένεια μεταξύ των βαναδικών ειδών και των επιφανειακών ομάδων της τιτάνιας. Παρατηρείται σημαντική έκταση της προσρόφησης των αρνητικών βαναδικών ειδών ακόμα και σε πολύ υψηλές τιμές pH, όπου η επιφάνεια έχει ομόσημο με αυτά φορτίο. Έτσι η διεπιφανειακή εναπόθεση των βαναδικών ειδών δεν είναι ηλεκτροστατικής φύσεως αλλά λαμβάνει χώρα μέσω χημικών δυνάμεων.Οι υπολογιστικές μεθοδολογίες έδειξαν ότι τα βαναδικά είδη μπορούν να προσροφώνται στην επιφάνεια της τιτάνιας σχηματίζοντας μόνο- και δι-υποκατεστημένα μονομερή σύμπλοκα εσωτερικής σφαίρας και δι-υποκατεστημένα τετραμερή σύμπλοκα εσωτερικής σφαίρας. Η παρουσία των υπόλοιπων πολυμερών ειδών βαναδίου δεν είχε καμία συνεισφορά στην προσρόφηση. Επιπλέον, βρέθηκε ότι είναι πολύ πιθανό να υπάρχει αλληλεπίδραση μέσω δεσμών υδρογόνου στην ελεύθερη πλευρά των προσροφημένων τετραμερών συμπλόκων εσωτερικής σφαίρας. Τα παραπάνω ευρήματα των υπολογιστικών μεθοδολογιών επιβεβαιώθηκαν πλήρως από τη φασματοσκοπία Laser-Raman.