Search the digital library catalog

Abstract: Grafitni ogljikov nitrid (g-C3N4) predstavlja obetavnega kandidata za remediacijo okolja, vendar določene neželene lastnosti omejujejo njegovo fotokatalitsko aktivnost (npr. nizka specifična površina in visoka tendenca za rekombinacijo nosilcev naboja). Le-te lahko izboljšamo z uporabo klasičnega optimizacijskega postopka (tj. korak za korakom), ki pa tipično ne daje optimalnih rezultatov. Kot alternativo lahko uporabimo številne statistične metode, kot je npr. optimizacijski postopek Simplex, s katerim smo izboljšali ne le specifično površino g-C3N4 (zastavljena cenilna funkcija), ampak tudi druge morfološke in opto-elektronske lastnosti. V le nekaj korakih smo pridobili znatno izboljšan fotokatalizator, ki je v celoti razgradil modelno onesnažilo bisfenol A (BPA) pri uporabi vidne svetlobe. Fotokatalizator g-C3N4 smo tudi optimizirali po njegovi sintezi s pomočjo aktivacije pri povišani temperaturi v CO2 atmosferi. Ponovno nismo izboljšali le specifične površine, ampak tudi druge opto-elektronske in strukturne lastnosti, katere so omogočile skoraj popolno razgradnjo BPA z uporabo simulirane sončne svetlobe. V obeh primerih (Simplex ali CO2 aktivacija) smo deformirali strukturo idealnega 2D g-C3N4 fotokatalizatorja in vnesli defekte, kar je izboljšalo ne le opto-elektronskih lastnosti, ampak omogočilo tudi nastanek singletnega kisika. Le-ta je omogočil povečano razgradnjo BPA in tudi njegovih analogov (BPF, BPS in BPAF), kakor tudi selektivno razgradnjo izbranih farmacevtskih učinkovin (paracetomol, acetilsalicilna kislina, salicilna kislina, benzojska kislina in kofein). Kljub visoki stabilnosti v vodnih medijih čisti g-C3N4 materiali izkazujejo manjšo deaktivacijo pri ponovni uporabi. Da izboljšamo stabilnost in druge negativne lastnosti čistih g-C3N4 (CN) materialov, jih lahko združimo s TiO2 v hibridne materiale. Ugotovili smo, da je optimalno masno razmerje med obema komponentama 1:1 in da podaljšana sinteza hibridnih materialov v zraku (24 ur) izboljša stik do optimalne mere, kar poveča fotokatalitsko aktivnost. Ta pojav je opazen ne glede na izbrano morfologijo TiO2 (nanosfere TP ali heksagonalni delci TH) komponente (CNTP-24 ali CNTH 24 fotokatalizatorja). Morfologija TiO2 pa ima lahko tudi druge pozitivne lastnosti, saj lahko nastale kisikove praznine in Ti3+ v TiO2 vplivajo na opto-elektronske lastnosti kompozita. Zato je TiO2 v obliki nanopalčk (TR) doprinesel največje izboljšanje, kadar je združen v hibridni material (CNTR-2) z g-C3N4 (CN), v primerjavi s komercialnimi TP. Hkrati, če te kompozite dodatno tretiramo v prisotnosti N2 pri povišani temperaturi, dosežemo preoblikovanje g-C3N4 in znatno izboljšamo opto-elektronske lastnosti hibridnih materialov. Zato le-ti izkazujejo do 300 % povečano fotokatalitsko aktivnost razgradnje BPA pri uporabi vidne svetlobe v primerjavi z neobdelanim hibridnim materialom. Dodatno lahko povečamo fotokatalitsko aktivnost z nanosom plazmonske kovine platine (Pt), kjer preferenčna lokacija nanosa Pt nanodelcev vpliva na aktivnost kompozitov zaradi različnih interakcij Pt z nosilcem (g-C3N4 ali TiO2). Ker so vsi postopki spreminjanja morfologije TiO2 potratni (čas, denar, kemikalije), smo z uporabo hitre in zelene mehano-kemijske sinteze tvorili hibridne g-C3N4/TiO2 materiale. Le-ti so izkazovali podobno izboljšane fotokatalitske odzive kot npr. CNTR-2 fotokatalizator, kar jih naredi obetavne za realne aplikacije. Tako je potrebno upoštevati celo vrsto parametrov in možnosti, kadar želimo tvoriti napredne hibridne fotokatalizatorje za remediacijo okolja.
Keywords: grafitni ogljikov nitrid (g-C3N4), hibridni materiali, razvoj fotokatalizatorjev, heterogena fotokataliza, okoljska remediacija
Published in DKUM: 05.12.2024; Views: 0; Downloads: 18
Full text (13,94 MB)

Abstract: Vse večji in naprednejši razvoj industrije ter kmetijstva vzporedno z rastjo populacije povzroča ogromno škodo okolju z izpustom škodljivih kemikalij in ostalih organskih onesnaževal. Večina teh polutantov je toksičnih, mutagenih in karcinogenih, ki so zelo obstojni ter se zlahka bioakumulirajo. V to kategorijo sodijo tudi motilci endokrinega sistema (bisfenol A) z močnim vplivom na fiziološke procese v človeškem organizmu in zaskrbljujoča nova onesnaževala (farmacevtske učinkovine) z znanimi ali domnevnimi učinki na okolje ter zdravje človeka. V odgovor ekološki zaskrbljenosti zaradi obsežnega onesnaževanja pitne vode, rek, jezer in morja, se je v zadnjih desetletjih med znanstveniki povečalo zanimanje za razvoj novih tehnologij na področju čiščenja odpadnih voda. Velik potencial pri učinkovitem odstranjevanju organskih onesnaževal iz vodnih sistemov so pokazali napredni oksidacijski procesi, ki s prilagajanjem postopkov oksidacije dosežejo neselektivno razgradnjo organskih snovi do CO2 in vode. Med temi procesi velja metoda heterogene fotokatalize z uporabo fotokatalizatorjev na osnovi TiO2 za najbolj raziskano, obetavno, enostavno in okolju prijazno. Namen magistrske naloge je bil z metodo mokre impregnacije pripraviti fotokatalizatorje na osnovi TiO2 nanodelcev, ki bodo uspešno razgradili organska onesnaževala v šaržnem reaktorju ob obsevanju z vidno svetlobo. Ker je čisti TiO2 aktiven samo v ultravijoličnem spektru svetlobe, smo na njegovo površino dopirali plazmonski žlahtni kovini (Au, Pt) in njune zlitine. S karakterističnimi metodami smo sintetiziranim katalizatorjem določili njihove optične, strukturne in površinske lastnosti ter preverili učinkovitost pri tvorjenju reaktivnih kisikovih zvrsti (HO• s kumarinom ter O2•- in e- z ABTS•+). Fotokatalitsko aktivnost pri razgradnji bisfenola A pod svetlobo v vidnem delu spektra smo ugotovili s tekočinsko kromatografijo visoke ločljivosti in z merjenjem celotnega organskega ogljika pred in po fotokatalizi določili stopnjo mineralizacije onesnaževal. Sintetizirani fotokatalizatorji so se med seboj razlikovali v optičnih in površinskih lastnostih, po učinkovitosti tvorbe reakcijskih kisikovih zvrsti ter razgradnje bisfenola A. Ugotovili smo tudi, da nanos Au, Pt in njunih zlitin na površino nosilca TiO2 ne vpliva na njegovo morfologijo. Pri razgradnji bisfenola A je bil najbolj učinkovit fotokatalizator z nanosom zlitine 0,25 % Au + 0,75 % Pt (80,7 %), sledil mu je katalizator z nanosom zlitne 0,5 % Au + 0,5 % Pt (74,5 %), še sprejemljivo razgradnjo pa je dosegel katalizator z nanosom 1 % Pt (70,9 %). Ker je katalizator z dopirano zlitino 0,5 % Au + 0,5 % Pt teoretično izkazoval potencialno veliko katalitsko aktivnost, smo ga uporabili še za preverjanje učinkovitosti razgradnje farmacevtskih učinkovin, kot so aspirin, kofein in paracetamol. Izbrani katalizator je bil najbolj uspešen pri razgradnji aspirina (97 %), naslednji je bil kofein (79 %), paracetamola pa se je razgradilo nekoliko majn (62 %). Zbrani podatki so potrdili fotokatalitski potencial katalizatorjev z dopiranimi zlitinami Au in Pt, kjer ima Pt prevladujoč ali enak deleže od Au pri razgradnji bisfenola A in farmacevtskih učinkovin (aspirin, kofein in paracetamol).
Keywords: napredni oksidacijski procesi, heterogena fotokataliza, TiO2 fotokatalizatorji, žlahtni kovini Au in Pt, fotokataliza pod vidno svetlobo, organska onesnaževala
Published in DKUM: 13.09.2023; Views: 400; Downloads: 60
Full text (5,42 MB)