title: Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανο-δομημένων οξειδίων CeO2-TiO2 για περιβαλλοντικές και ενεργειακές εφαρμογές
title: Synthesis and characterization of nanostructured CeO2-TiO2 oxides for environmental and energy applications
Creators: name: Ζαρναβελη Αγγελικη
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2020

description: Το οξείδιο του δημητρίου (CeΟ2) έχει χρησιμοποιηθεί ευρέως σε πληθώρα καταλυτικών διεργασιών λόγω των μοναδικών οξειδοαναγωγικών του ιδιοτήτων, της μεγάλης ικανότητας αποθήκευσης και κινητικότητας οξυγόνου. Ιδιαίτερης σημασίας κρίνεται η ανάπτυξη υλικών σε επίπεδο νανο-κλίμακας, καθώς η κατάλληλη τροποποίηση του σχήματος και του μεγέθους των νανο-σωματιδίων δημητρίας μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές αλλαγές στις δομικές και οξειδοαναγωγικές της ιδιότητες και κατ’ επέκταση στην καταλυτική της συμπεριφορά. Το CeO2, καθώς και τα βασισμένα σε αυτό μικτά οξείδια, έχουν βρει εκτεταμένη εφαρμογή στους τριοδικούς καταλυτικούς μετατροπείς, τις κυψέλες καυσίμου, καθώς επίσης σε αντιδράσεις οξείδωσης (π.χ. οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα), αναγωγής οξειδίων του αζώτου (π.χ. ΝΟx, Ν2Ο) και σε διεργασίες αναμόρφωσης υδρογονανθράκων ή οξυγονούχων ενώσεων. Η προσθήκη δομικών ενισχυτών, όπως το οξείδιο του τιτανίου (TiO2) στη δημητρία μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τα φυσικοχημικά και οξειδοαναγωγικά της χαρακτηριστικά και κατ’ επέκταση την καταλυτική της συμπεριφορά. Για την ακρίβεια, τα μικτά οξείδια CeO2-TiO2 έχουν μελετηθεί ως προς την απομάκρυνση των πτητικών οργανικών ενώσεων (Volatile Organic Compounds, VOCs), τη μερική οξείδωση του μεθανίου, την αναμόρφωση αιθανόλης με ατμό και ως προς τη χαμηλής θερμοκρασίας οξείδωση του μονοξειδίου του άνθρακα (CO) καθώς και σε φωτοκαταλυτικές διεργασίες.
Συγκεκριμένα, έχουν αναπτυχθεί διάφορες μέθοδοι για τη σύνθεση μικτών οξειδίων CeO2-TiO2, όπως η υδροθερμική μέθοδος, η καταβύθιση, η μέθοδος λύματος-πηκτώματος (sol-gel), ο εμποτισμός κ.ά. Η μέθοδος σύνθεσης μπορεί να επηρεάσει τα δομικά, οξειδοαναγωγικά και μορφολογικά (π.χ. ράβδοι, κύβοι, πολύεδρα, κ.ά.) χαρακτηριστικά των οξειδίων, οδηγώντας, εν τέλει, σε διαφορετική καταλυτική ενεργότητα.
H παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως στόχο να παρουσιάσει τον ρόλο των μικτών οξειδίων δημητρίας-τιτανίας σε διάφορες καταλυτικές εφαρμογές, δίνοντας έμφαση στις μεθόδους σύνθεσης των μικτών οξειδίων. Επιπλέον, σε πειραματικό επίπεδο, αναπτύχθηκαν νανο-υλικά CeO2-TiO2 και διερευνήθηκε η επίδραση της μεθόδου παρασκευής (υδροθερμική μέθοδος, καταβύθιση) στα φυσικοχημικά, οξειδοαναγωγικά, και μορφολογικά τους χαρακτηριστικά. Η καταλυτική αποτελεσματικότητα των προς ανάπτυξη υλικών αποτιμήθηκε κατά την οξείδωση του CO. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν το σημαντικό ρόλο της μεθόδου σύνθεσης προς την κατεύθυνση της ανάπτυξης μικτών οξειδίων με προηγμένα φυσικοχημικά και κατ’ επέκταση καταλυτικά χαρακτηριστικά.
description: Cerium oxide (CeO2) has been widely used in a variety of catalytic processes due to its unique redox properties, high oxygen storage capacity and oxygen mobility. The development of materials in the nanoscale is of great significance, as the fine-tuning of ceria nanoparticles’ shape and size may have major impact on its structural and redox properties and, consequently, on its catalytic behaviour. Ceria, as well as ceria-based materials have been applied in numerous applications, such as three-way catalytic converters, fuel cells, in oxidation reactions (e.g., oxidation of carbon monoxide), reduction of nitrogen oxides (e.g., NOx, N2O) and in reforming processes of hydrocarbons or oxygenated compounds. The addition of structural promoters, such as titanium oxide (TiO2), into ceria can significantly affect its physicochemical and redox properties and thus, its catalytic behaviour. In fact, ceria-titania mixed oxides have been studied in various processes, such as the removal of volatile organic compounds (VOCs), the partial oxidation of methane, the steam reforming of ethanol, the low temperature carbon monoxide (CO) oxidation as well as in photocatalytic processes.
In particular, various methods have been used for the synthesis of CeO2-TiO2 mixed oxides, such as the hydrothermal method, precipitation, sol gel, impregnation, etc. The preparation method notably affects the structural, redox and morphological (rods, cubes, polyhedra, etc.) characteristics of mixed oxides, resulting, thus, in different catalytic activity.
The present thesis aims to initially present the role of CeO2-TiO2 mixed oxides in various catalytic applications, with particular emphasis on the role of preparation method. Moreover, CeO2-TiO2 nanomaterials were synthesized by hydrothermal and precipitation methods. The impact of synthesis procedure on the physicochemical properties of as-prepared composites, and, in turn, on their CO oxidation performance was explored.