Titanium dioxide and nanoshaped ceria for solar hydrogen production
Authors:   , Serafin Jaroslaw 
Published: September 2023

This work facuses on the study of these processes on Ti02 and Ce02, respectively. Although the development of photocatalytic research with the use of semiconductor photocatalysts does not last longer than about 40 years, this field of knowledge is gaining more and more interest from both science and industry. Photocatalytic water decomposition or photocatalytic detoxification of industrial wastewater is currently the subject of research in many centers. As explained in the lntroduction, the potential use of free solar radiation as the primary energy source in photocatalytic processes is an unquestionable advantage of this method.
Unfortunately, the research for new photocatalysts active in visible radiation, which has been going on far years, has led to mediocre progress in this field. There is still a shortage of effective photocatalysts, especially far the photocatalytic decomposition of water. Here, under strictly anaerobic conditions, the quantum efficiency are very low. Therefore, work in many laboratories focuses on increasing the photocatalytic efficiency of the tested photocatalysts, preparing new photocatalysts, or designing hybrid systems. The section Compendium of articles describes the preparation of catalysts far the photocatalytic production of hydrogen. Far this purpose, catalysts based on carbon materials (reduced graphene/activated carbon) and titanium dioxide doped with metal nanoparticles (Au/Pt) were prepared (Objective 1). Also, the use of macroporous silicon microreactors to photogenerate hydrogen after coating the microchannels with Au/Ti02 and PUTi02 photocatalysts was investigated (Objective 2). The development of solar technologies for converting C02 into fuel has become a great energy challenge as it completes the anthropogenic carbon cycle and leads to the production of sustainable transport fuels on a global scale. However, the low mass conversion, poor selectivity, or low energy efficiency of the current approaches hinder their industrial application. The section Annex presents the thermochemical decomposition of C02 (an analogous process to water decomposition into hydrogen) on different shapes of cerium oxide catalyst doped with metals (Pt, Au, Ni, Ru, Pd). Moreover, the influence of the catalyst preparation method {ball milling vs. incipient wetness impregnation) has been studied (Objectives 3, 4 and 5). To better understand the functioning mechanism of the cerium oxide catalyst, molecular dynamics simulations with water molecules were performed (Objective 6). The last chapter I will explain the Conclusions of this doctoral thesis. Overall, the specific objectives of this thesis are: Objective 1: To synthesize and characterize titanium dioxide-carbon compounds composites as photocatalysts to produce hydrogen from water/alcohol mixtures. Objective 2: To explore the use of macroporous silicon structures to photogenerate hydrogen after coating the microchannels with Au/Ti02 and Pt/Ti02 photocatalysts. Objective 3: To synthesize and characterize nanoshaped ceria exposing different crystallographic planes far thermochemical conversion of C02. Objective 4: To study the influence of metal nanoparticles (Au, Ni, Pd, Pt, Ru) on nanoshaped ceria far thermochemical conversion of C02. Objective 5: To study the influence of catalyst preparation methods using incipient wetness impregnation (IWI) and ball milling (BM). Objective 6: To use molecular dynamics to study the interaction between H20 molecules and ceria octahedral [111] by examining the effect on the surface.
Aquest treball se centra en l'estudi d'aquests processos sobre Ti02 i Ce02, respectivament. Tot i que el desenvolupament de la investigació fotocatalítica amb l'ús de fotocatalitzadors semiconductors no té més d'uns 40 anys, aquest camp de coneixement esta guanyant cada cop més interés, tant de la ciencia com de la indústria. La descomposició fotocatalítica de l'aigua o la desintoxicació fotocatalítica de les aigües residuals industrials és actualment objecte de recerca a molts centres. Com s'explica a l'introducció, el potencial ús de la radiació solar com a font d'energia primaria en processos fotocatalitics és un avantatge inqüestionable d'aquest métode. Malauradament, la investigació de nous fotocatalitzadors actius en radiació visible, que s'ha fet durant anys, ha donat lloc a un progrés mediocre en aquest camp. Encara hi ha escassetat de fotocatalitzadors eficaços, especialment per a la descomposició fotocatalítica de l'aigua. En condicions estrictament anaeróbiques, els rendiments quantics són molt baixos. Per tant, el treball a molts laboratoris se centra en augmentar l'eficiéncia fotocatalítica, preparar nous fotocatalitzadors o dissenyar sistemes híbrids. El Compendi d'articles descriu la preparació de catalitzadors per a la producción fotocatalítica d'hidrogen. Per aixó, s'han preparat catalitzadors basats en materials de carboni (graté redu'il/carbó activa!} i dióxid de titani dopa! amb nanopartícules metal·liques (Au/Pt) (Objectiu 1). A més, s'ha investigat l'ús de microreactors de silici macroporós per fotogenerar hidrogen després de recobrir els microcanals amb fotocatalitzadors d'Au/Ti02 i Pt/Ti02 (Objectiu 2). El desenvolupament de tecnologies solars per convertir C02 en combustible ha esdevingut un gran desafiament energétic, ja que completa el cicle antropogénic del carboni i condueix a la producció de combustibles de transport sostenibles a escala mundial. Tanmateix, la conversió massa baixa, la selectivitat deficient o !'eficiencia energética baixa deis enfocaments actuals en dificulten l'aplicació industrial. L'apartat Annex presenta la descomposició termoquímica de C02 (un procés analeg a la descomposició de l'aigua en hidrogen) en diferents formes de catalitzador d'oxid de ceri dopa! amb metalls (PI, Au, Ni, Ru, Pd). A més, s'ha estudiat la influencia del métode de preparació del catalitzador (malta de boles vs. impregnació humida a sequedat incipient) (Objectius 3, 4 i 5). Per comprendre millor el mecanisme de funcionament del catalitzador d'óxid de ceri, s'han realitzat simulacions de dinamica molecular de catalitzadors immersos amb molécules d'aigua. (Objectiu 6). En el darrer capítol explicaré les Conclusions d'aquesta tesi doctoral. En general, els objectius específics d'aquesta tesi són: Objectiu 1: Sintetitzar i caracteritzar compostos de dióxid de litani-carboni com a fotocatalitzadors per produir hidrogen a partir de barreges d'aigua/alcohol. Objectiu 2: Explorar l'ús d'estructures macroporoses de silici per fotogenerar hydrogen després de recobrir els microcanals amb fotocatalitzadors d'Au/Ti02 i Pt/Ti02. Objectiu 3: Síntetitzar i caracteritzar céria amb diferents formes exposant diferents planols cristal·lografics pera la conversió termoquímica de C02. Objectiu 4: Estudiar la influencia de nanopartícules metal·liques (Au, Ni, Pd, Pt, Ru) a la céria pera la conversió termoquimica de C02. Objectiu 5: Estudiar la influencia deis métodes de preparació de catalitzadors mitjançant impregnació humida a sequedat incipient (IWI) i mólta de boles (BM). Objectiu 6: Utilitzar la dinamica molecular per estudiar la interacció entre les molécules d'H20 i l'octaédric de ceria [111] examinant l'efecte a la superficie
Existen muchos métodos para producir hidrógeno a partir de fuentes fósiles no
renovables, pero estos métodos tienen un impacto ambiental negativo a través de emisiones de contaminantes y/o gases de efecto invernadero. Por tanto, actualmente se están buscando métodos alternativos y respetuosos con el medio ambiente. Los dos métodos sostenibles principales para producir hidrógeno a partir de recursos renovables son los procesos fotocatalíticos y termocatalíticos. Este trabajo se centra en el estudio de estos procesos sobre TiO2 y CeO2, respectivamente.
Aunque el desarrollo de la investigación fotocatalítica con el uso de fotocatalizadores semiconductores no tiene más de unos 40 años, este campo de conocimiento está ganando cada vez más interés, tanto de la ciencia como de la industria. La descomposición fotocatalítica del agua o la desintoxicación fotocatalítica de las aguas residuales industriales es actualmente objeto de investigación en muchos centros. Como se explica en la Introducción, el potencial uso de la radiación solar como fuente de energía primaria en procesos fotocatalíticos es una ventaja incuestionable de este método. Desafortunadamente, la investigación de nuevos fotocatalizadores activos en
radiación visible, que se ha estado realizando durante años, ha dado lugar a un progreso mediocre en este campo. Todavía hay escasez de fotocatalizadores eficaces, especialmente para la descomposición fotocatalítica del agua. En condiciones estrictamente anaeróbicas, los rendimientos cuánticos son muy bajos. Por lo tanto, el trabajo en muchos laboratorios se centra en aumentar la eficiencia fotocatalítica de los fotocatalizadores probados, preparar nuevos fotocatalizadores o diseñar sistemas híbridos. El Compendio de artículos describe la preparación de catalizadores para la producción fotocatalítica de hidrógeno. Para ello, se prepararon catalizadores basados en materiales de carbono (grafeno reducido/carbón activado) y dióxido de titanio dopado
con nanopartículas metálicas (Au/Pt) (Objetivo 1). Además, se investigó el uso de microrreactores de silicio macroporoso para fotogenerar hidrógeno después de recubrir los microcanales con fotocatalizadores de Au/TiO2 y Pt/TiO2 (Objetivo 2). El desarrollo de tecnologías solares para convertir CO2 en combustible se ha convertido en un gran desafío energético, ya que completa el ciclo antropogénico del carbono y conduce a la producción de combustibles de transporte sostenibles a escala mundial. Si embargo, la conversión baja, la selectividad deficiente o la eficiencia energética baja de los enfoques actuales dificultan su aplicación industrial. La sección Anexo presenta la descomposición termoquímica de CO2 (un proceso análogo a la descomposición del agua en hidrógeno) con diferentes formas de catalizador de óxido de cerio dopado con metales (Pt, Au, Ni, Ru, Pd). Además, se ha estudiado la influencia del método de preparación del catalizador (molienda de bolas vs. impregnación húmeda a sequedad incipiente) (Objetivos 3, 4 y 5). Para comprender mejor el mecanismo de funcionamiento del catalizador de óxido de cerio, se han realizado simulaciones de dinámica molecular
de catalizadors immersos en con moléculas de agua (Objetivo 6). En el último capítulo explicaré las Conclusiones de esta tesis doctoral.
En general, los objetivos específicos de esta tesis son: Objetivo 1: Sintetizar y caracterizar compuestos de dióxido de titanio-carbono como fotocatalizadores para producir hidrógeno a partir de mezclas de agua y alcohol.
Objetivo 2: Explorar el uso de estructuras macroporosas de silicio para fotogenerar hidrógeno después de recubrir los microcanales con fotocatalizadores de Au/TiO2 y Pt/TiO2.
Objetivo 3: Sintetizar y caracterizar ceria con nanoformas exponiendo diferentes planos cristalográficos para la conversión termoquímica de CO2.
Objetivo 4: Estudiar la influencia de nanopartículas metálicas (Au, Ni, Pd, Pt, Ru) sobre ceria nanoformada para la conversión termoquímica de CO2.
Objetivo 5: Estudiar la influencia de los métodos de preparación de catalizadores mediante impregnación húmeda a sequedad incipiente (IWI) y molienda de bolas (BM).
Objetivo 6: Utilizar la dinámica molecular para estudiar la interacción entre las moléculas de H2O y las caras [111] de la ceria con vacantes de oxígeno.