title: CdS dotted MOF and TiO2 embedded electrospun PVDF-HFP fibers for photocatalytic degradation of methyl orange
Creators: name: Elbataioui, Adam
Publisher: name: :none
Year: 2022

description: Ziel dieser Masterarbeit war es, eine photoaktive Verbindung in ein Polymer mit piezoelektrischen Eigenschaften einzubetten, um die Ladungstrennung zu verbessern und damit die Langlebigkeit der erzeugten Ladungen zu verlängern. Als Vertreter organischer Schadstoffe wurde der Azofarbstoff Methylorange (MO) als Proof-of-Concept-Komponente ausgewählt. MO wurde als Vertreter der Familie der Azofarbstoffe ausgewählt, die für ihre hohe Persistenz in der Umwelt bekannt sind.[1] Der photokatalytische Abbau von Azofarbstoffen mit TiO2 ist bereits breit untersucht worden sowohl alleinstehend als auch in Kombination mit anderen Substanzen.[2] Die hier vorliegende Arbeit baut auf diesem Wissen auf, um ein kostengünstiges wiederverwendbares Verbundmaterial welches auch eine lange Zeit haltbar ist für den photokatalytischen Abbau von MO herzustellen. Als elektro- gesponnene Faser weist Poly-(vinylidenfluorid-co-hexafluorpropylen) (PVDF-HFP) Piezoelektrizität auf, die bei mechanischer Verformung die Ladungstrennung der durch ultraviolettes Licht (UV) aktivierten Komponenten unterstützt. Das erzeugte Potenzial innerhalb des Verbundstoffs erleichtert die Erzeugung von Ladungen. In zwei Ansätzen wurden zwei verschiedene UV-aktive Materialien in die Fasern integriert. Einerseits wurde TiO2 über den Vorläufer Ti(iOPr)4 in die Polymerlösung implementiert und anschließend hydrolysiert. Zum anderen wurde eine Polymerlösung mit der metallorganischen Gerüststruktur (MOF) UiO-66-NH2 mit integrierten CdS-Quantumdots in die Fasern eingebettet. Um den Abbau von Methylorange zu verfolgen, wurde 1-Methyl-Imidazol als interner Standard gewählt. Die neuen Kompositfasern wurden mittels Sekundärelektronenmikroskopie (SEM), Pulverröntgendiffraktometrie (PXRD) und Kontaktwinkelmessungen (CA) charakterisiert. Es wurde ein erhöhter Anteil der β-Phase PVDF-HFP erreicht, die in der Zusammensetzung vorherrschte und mittels PXRD und Infrarotspektroskopie (IR) als piezoelektrische Kristallphase nachgewiesen wurde. Die Integration von TiO2 in eines elektrogesponnenen Verbundmaterials wurde erreicht. Dies konnte durch Kontaktwinkel (CA) Messungen bestätigt werden. Die MOFs UiO-66 und UiO-66-NH2 als auch die Qantumdot intergireten MOFs UiO-66@Cds und UiO- 66-NH2@CdS wurden hergestellt. Die Porosität der MOF-Struktur UiO-66-NH2 mit integrierten CdS- Quantumdots wurde mit der Brunauer-Emmet-Teller-Methode (BET) untersucht und zeigte nanoporöse Strukturen und der photokatalytische Effekt auf den pH-Wert ist beobachtet worden. Die Degradation von MO und die Konzentration des internen Standards wurden mittels UV/Vis-Spektroskopie verfolgt und bestätigten die Abnahme der Farbstoffkonzentration. In diesem Projekt wurde ein erfolgreiches Verfahren für geeignete Faserverbundwerkstoffe und ein verbessertes β Phasenverhältnis entwickelt und die Fasern wurden vollständig charakterisiert. Der MO-Abbau mit Ti(iOPr)4- Fasern wurde erreicht und mittels Ultraviolett-Spektroskopie (UV/vis) verfolgt. Die Synthese von TiO2-Kristallen auf der Faseroberfläche wurde durchgeführt und vollständig analysiert.
description: The aim of this master thesis was to embed a photoactive compound into a polymer with piezo- electric properties to enhance the separation of photogenerated charges and therefore prolong their longevity. To evaluate the ability to degrade pollutants the azo dye methyl orange (MO) was selected as a proof-of-concept component. MO was chosen as a representative of the azo dye fam- ily which is known for their high persistence in the environment.[1] The photocatalytic degrada- tion of azo dyes with TiO2 is already broadly investigated by itself and also in combination with different compounds.[2] As an electrospun fiber poly-(vinylidenfluoride-co-hexafluoropropylene) (PVDF-HFP) shows piezoelectricity which aids in the charge separation of the ultra violet (UV) acti- vated components during mechanical deformation. The generated potential within the composite facilitates the charge separation via UV radiation. Solutions of Ti(iOPr)4 and PVDF-HFP mixtures were electrospun and the resulting fibermat was incubated. To generate MOF/PVDF-HFP fibers the MOF and MOF@CdS were first synthesised and then mixed with PVDF-HFP polymer solution to obtain the fibermat. The fibers were tested for photocatalytic activity under UV-light. Synthesied MOF and MOF@CdS were analysed on their photocatalytic potential. To follow the degradation of methyl orange, 1-methyl-imidazole was selected as an internal standard. The new compos- ite fibers were characterized via Scanning Electron Microscopy (SEM), Powder X-Ray Diffraction (PXRD), and contact angle measurements (CA). Enhancement of the β phase as the piezoelectric crystal phase of PVDF-HFP was achieved and predominated the composition which was shown in PXRD and Infrared Spectroscopy (IR). Fabrication of fibers containing TiO2 could be confirmed via contact angle (CA) measurement. The MOFs UiO-66 and UiO-66-NH2 as well as the nanocompos- ites UiO-66@Cds and UiO-66-NH2@CdS have been produced. The porosity of the MOF structure UiO-66-NH2 with integrated CdS quantum dots was investigated with the Brunauer-Emmet-Teller method (BET) which showed nanoporous structures and a photocatalytic effect on the pH was ob- served. Degradation of MO and the concentration of internal standard were followed via UV/Vis spectroscopy and confirmed the decrease in the concentration of the dye. In this project, a suc- cessful procedure for fiber composites and enhanced β phase ratio was established. Those fibers were fully characterised and further tested for their photocatalytic activity. Synthesis of TiO2 crys- tals on the fiber surface was accomplished and fully analysed.