Ανάπτυξη νέων φωτοκαταλυτών με τεχνικές πυρόλυσης για περιβαλλοντικές και ενεργειακές εφαρμογές

Abstract

The subject of this Doctoral Thesis was the synthesis of novel Graphitic Carbon Nitride (g-C3N4) photocatalysts and their appropriate modification for application in the removal of NOx gaseous pollutants and the production of H2 under visible light radiation. g-C3N4 is a polymeric semiconductor which during the recent years has attracted the interest of the scientific community due to its physicochemical and photocatalytic properties, as well as the simple methods for its synthesis. However, its photocatalytic performance is limited by rapid electron-hole recombination and low oxidative capacity. In order to improve the photocatalytic activity of g-C3N4, it was combined with the semiconductor TiO2, as this provides favorable valence and conduction band edges. In addition, since the effective removal of gaseous pollutants requires a high specific surface area and adsorption of the pollutants on the photocatalyst surface, the presence of alkaline earths that enhance the adsorption of atmospheric oxides has been studied. Likewise, for the efficient photocatalytic production of H2, where the absence of surface defects plays an important role, thermal treatment of g-C3N4 was performed in order to obtain suitable surface characteristics. For the synthesis of the g-C3N4 photocatalysts, melamine as a precursor for g-C3N4 and commercial TiO2 P25 were used. The structure and morphology of the materials were studied by XRD, BET, SEM and TEM methods, the chemical composition by FT-IR, Raman and XPS spectroscopies, while the optical and electronic properties by UV-vis, EIS and EPR methods. Their photocatalytic activity was evaluated based on the oxidation of the inorganic gas pollutant nitrogen monoxide (NO), as well as the production of H2 in the presence of triethanolamine. Overall, novel g-C3N4 photocatalysts suitable for use in environmental and energy applications were developed. Their efficiency has been maximized by optimizing factors such as the ability to adsorb gaseous pollutants and the utilization of absorbed radiation. Thus, the objectives set for efficient purification of air from NOx gaseous pollutants and high H2 production under visible light radiation were successfully accomplished.

Αντικείμενο της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής ήταν η σύνθεση νέων φωτοκαταλυτών Γραφιτικού Νιτριδίου του Άνθρακα (g-C3N4) και η κατάλληλη τροποποίησή τους για εφαρμογή στην απομάκρυνση αέριων ρύπων NOx και την παραγωγή H2 υπό ακτινοβολία ορατού φωτός. Το g-C3N4 είναι πολυμερικός ημιαγωγός ο οποίος τα τελευταία χρόνια έχει κεντρίσει το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας λόγω των φυσικοχημικών και φωτοκαταλυτικών ιδιοτήτων του, καθώς και των απλών μεθόδων σύνθεσής του. Ωστόσο, η φωτοκαταλυτική του απόδοση περιορίζεται από την ταχεία επανασύνδεση των ηλεκτρονίων-οπών και τη χαμηλή οξειδωτική του ικανότητα. Για τη βελτίωση της φωτοκαταλυτικής δραστικότητας του g-C3N4 έγινε σύζευξή του με τον ημιαγωγό TiO2, καθώς έτσι επιτυγχάνονται ευνοϊκές ζώνες σθένους και αγωγιμότητας. Επιπλέον, καθώς η αποτελεσματική απομάκρυνση αέριων ρύπων απαιτεί μεγάλη ειδική επιφάνεια και προσρόφηση των ρύπων στην επιφάνεια του φωτοκαταλύτη g-C3N4, μελετήθηκε η παρουσία αλκαλικών γαιών οι οποίες ενισχύουν την προσρόφηση των οξειδίων της ατμόσφαιρας. Αντίστοιχα, για την αποδοτική φωτοκαταλυτική παραγωγή H2, όπου η απουσία επιφανειακών ατελειών παίζει σημαντικό ρόλο, πραγματοποιήθηκε θερμική επεξεργασία του g-C3N4 με σκοπό την επίτευξη κατάλληλων επιφανειακών χαρακτηριστικών. Για τη σύνθεση των φωτοκαταλυτών g-C3N4 χρησιμοποιήθηκε μελαμίνη ως πρόδρομη ένωση για το g-C3N4 και εμπορικό TiO2 P25. Η δομή και η μορφολογία των υλικών μελετήθηκε με μεθόδους XRD, BET, SEM και TEM, η χημική σύσταση με φασματοσκοπίες FT-IR, Raman και XPS, ενώ οι οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες με μεθόδους UV-vis, EIS και EPR. Η φωτοκαταλυτική τους δραστικότητα αξιολογήθηκε με βάση την οξείδωση του ανόργανου αέριου ρύπου του μονοξειδίου του αζώτου (NO), καθώς και την παραγωγή H2 παρουσία τριαιθανολαμίνης. Συνολικά, αναπτύχθηκαν νέοι φωτοκαταλύτες g-C3N4 κατάλληλοι για χρήση σε περιβαλλοντικές και ενεργειακές εφαρμογές. Η αποδοτικότητά τους μεγιστοποιήθηκε χάρη στη βελτιστοποίηση παραγόντων όπως η δυνατότητα προσρόφησης των αέριων ρύπων και η αξιοποίηση της απορροφούμενης ακτινοβολίας. Έτσι, κατέστη δυνατή η επίτευξη των στόχων οι οποίοι είχαν τεθεί για αποτελεσματικό καθαρισμό του αέρα από τους αέριους ρύπους NOx και υψηλή παραγωγή H2 υπό ακτινοβολία ορατού φωτός.