title: Υδροθερμική σύνθεση νανο-σωματιδίων οξειδίου του δημητρίου (CeO2)
title: Hydrothermal synthesis of cerium oxide (CeO2) nanoparticles
Creators: name: Γεωργιου Μαρια
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2019

description: Το οξείδιο του δημητρίου ή δημητρία (CeO2) αποτελεί ένα από τα πλέον χρησιμοποιούμενα υλικά στον τομέα της κατάλυσης λόγω των μοναδικών οξειδοαναγωγικών του ιδιοτήτων, γεγονός που απορρέει κυρίως από την ικανότητα δέσμευσης/αποδέσμευσης οξυγόνου ανάλογα με το περιβάλλον (οξειδωτικό ή αναγωγικό) της αντίδρασης. Το CeO2 αυτό καθ’ εαυτό, όπως και τα υποστηριζόμενα σ’ αυτό υλικά έχουν μελετηθεί σε πλήθος περιβαλλοντικών και ενεργειακών εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της τεχνολογίας των κυψελών καυσίμου, της οξείδωσης του μονοξειδίου του άνθρακα (CO), της απομάκρυνσης πτητικών οργανικών ενώσεων (VOCs), οξειδίων του αζώτου (ΝΟx), υποξειδίου του αζώτου (Ν2Ο), της αντίδρασης μετατόπισης υδρατμού (WGSR), κλπ. Για τη σύνθεση νανο-σωματιδίων δημητρίας έχουν χρησιμοποιηθεί πολυάριθμες μέθοδοι, όπως η υδροθερμική μέθοδος, η θερμική διάσπαση, η καταβύθιση, η αλκοολοθερμική σύνθεση, η μέθοδος λύματος-πηκτώματος (sol-gel), η μέθοδος μικροκυμάτων, κλπ. Η μέθοδος σύνθεσης επηρεάζει σε σημαντικό βαθμό τα μορφολογικά, αναγωγικά και φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της δημητρίας και κατ’ επέκταση την καταλυτική συμπεριφορά. Επί τη βάσει των παραπάνω, σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να παρουσιάσει αρχικά το ρόλο και τις εφαρμογές της δημητρίας στην κατάλυση και να αναλύσει τις διάφορες μεθόδους παρασκευής νανο-σωματιδίων CeO2, δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην υδροθερμική μέθοδο σύνθεσης και πώς αυτή μπορεί να επηρεάσει τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της δημητρίας και κατ’ επέκταση την καταλυτική της συμπεριφορά. Τέλος, σε πειραματικό επίπεδο, η παρούσα εργασία αποσκοπεί στη σύνθεση νανο-σωματιδίων δημητρίας με βάση την υδροθερμική μέθοδο. Συγκεκριμένα, διερευνήθηκε η επίδραση διαφόρων παραμέτρων κατά την υδροθερμική σύνθεση, όπως η συγκέντρωση βάσης και η θερμοκρασία γήρανσης, προκειμένου να παρασκευαστούν νανο-σωματίδια δημητρίας διαφορετικής μορφολογίας, όπως ράβδοι (rods), κύβοι (cubes) και πολύεδρα (polyhedra). Τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των προς ανάπτυξη υλικών διερευνήθηκαν διαμέσου των μεθόδων ρόφησης-εκρόφησης Ν2 (ΒΕΤ), περίθλασης ακτίνων Χ (XRD), φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS), ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (ΤΕΜ) και θερμο-προγραμματιζόμενης αναγωγής (TPR). Η καταλυτική συμπεριφορά των υλικών αποτιμήθηκε κατά την επιτέλεση της αντίδρασης οξείδωσης του μονοξειδίου του άνθρακα. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν ότι η μορφολογία των υλικών έχει σημαντική επίδραση στα επιφανειακά/αναγωγικά χαρακτηριστικά και κατ’ επέκταση στην καταλυτική συμπεριφορά.
description: Cerium dioxide or ceria (CeO2) constitutes one of the most widely used materials in the field of catalysis due to its unique redox properties, a fact arising from its ability to store or release oxygen depending on the reaction environment (oxidative or reductive). CeO2 itself as well as the CeO2-based materials have been studied in a variety of environmental and energy applications, including the technology of solid oxide fuel cells (SOFCs), CO oxidation, the removal of volatile organic compounds (VOCs), nitrogen oxides (NOx), nitrous oxide (N2O) and the water-gas shift reaction (WGSR). For the synthesis of ceria nanoparticles, numerous methods have been used such as the hydrothermal method, thermal decomposition, precipitation, alcohothermal synthesis, sol-gel, microwave-assisted method, etc. The preparation method strongly affects the morphological, redox and physicochemical characteristics of ceria and consequently its catalytic performance. Based on the above, the aim of this thesis is to initially present the role and applications of ceria in catalysis and to analyze the various methods employed for the preparation of CeO2 nanoparticles. Particular emphasis is given on the hydrothermal synthesis and its effect on the physicochemical and catalytic characteristics of ceria. 2 Προαιρετικό Πολυτεχνείο Κρήτης Σχολή Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης www.pem.tuc.gr Finally, on an experimental level, the present thesis focuses on the preparation of ceria nanoparticles based on the hydrothermal method. In particular, the effect of various parameters during hydrothermal synthesis, such as base concentration and aging temperature, was investigated in order ceria nanoparticles of different morphology to be synthesized, such as rods, cubes and polyhedra. The physicochemical characteristics of as-prepared samples were investigated through N2 physisorption (BET method), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Transmission electron microscopy (TEM) and Temperature-programmed reduction (TPR). The catalytic performance of the materials was assessed by the oxidation reaction of carbon monoxide. The results revealed the significant effect of materials’ morphology on the surface/reduction characteristics and consequently on the catalytic performance.