Υβριδικά υλικά με βάση νανοδομές μεταλλοχαλκογονιδίων: σύνθεση, χαρακτηρισμός και φωτοκαταλυτική δραστικότητα

Abstract

The doctoral dissertation examines the synthesis, characterization, and photocatalytic activity of hybrid materials based on metal chalcogenide nanostructures, with a focus on ZnIn₂S₄(ZIS) and its combinations with other semiconducting materials such as CdS, Bi₄Ti₃O₁₂(BTO), and SrTiO₃(STO). It begins with a detailed description of photocatalytic systems used for the degradation of organic pollutants, with particular emphasis on the Orange G dye and hydrogen peroxide, which is studied both as a product of photocatalytic reactions and as an energy carrier. The introductory section discusses the structures, properties, and synthesis methods of the semiconductors ZnIn₂S₄, CdS, and Bi₄Ti₃O₁₂, emphasizing the enhancement of their photocatalytic performance through morphology control, doping, and heterojunction formation. The experimental section includes the synthesis of these materials via various methods (hydrothermal, solid-state, and microwave-assisted), their characterization using techniques such as XRD, SEM, XPS, and Raman spectroscopy, and the investigation of their photocatalytic behavior in the degradation of Orange G and in H₂O₂ generation under visible-light irradiation. The results show that the hybrid systems (particularly CdS@ZIS and BTO@ZIS) exhibit enhanced photocatalytic performance due to more efficient charge carrier separation and broader light absorption. The dissertation concludes that the combination of metal chalcogenides into heterostructures represents an effective strategy for developing a new generation of environmentally friendly photocatalysts with applications in pollution abatement and sustainable energy production.

Η διδακτορική διατριβή εξετάζει τη σύνθεση, τον χαρακτηρισμό και τη φωτοκαταλυτική δραστικότητα υβριδικών υλικών που βασίζονται σε νανοδομές μεταλλοχαλκογονιδίων, με έμφαση στο ZnIn₂S₄ και στους συνδυασμούς του με άλλα ημιαγωγικά υλικά, όπως το CdS, το Bi₄Ti₃O₁₂ και το SrTiO₃. Αρχικά γίνεται αναλυτική περιγραφή των φωτοκαταλυτικών συστημάτων που χρησιμοποιούνται για την αποδόμηση οργανικών ρύπων, με ιδιαίτερη αναφορά στη χρωστική Orange G και στο υπεροξείδιο του υδρογόνου, το οποίο μελετάται ως προϊόν φωτοκαταλυτικών αντιδράσεων αλλά και ως ενεργειακός φορέας. Στο θεωρητικό-εισαγωγικό μέρος εξετάζονται οι δομές, οι ιδιότητες και οι μέθοδοι σύνθεσης των ημιαγωγών ZnIn₂S₄, CdS και Bi₄Ti₃O₁₂, με έμφαση στη βελτίωση της φωτοκαταλυτικής τους απόδοσης μέσω ελέγχου μορφολογίας, προσμίξεων και ετεροεπαφών. Το πειραματικό μέρος περιλαμβάνει τη σύνθεση αυτών των υλικών με διάφορες μεθόδους (υδροθερμική, στερεάς κατάστασης, μικροκυμάτων), τον χαρακτηρισμό τους με τεχνικές όπως XRD, SEM, XPS και Raman, και τη μελέτη της φωτοκαταλυτικής τους συμπεριφοράς στην αποδόμηση της Orange G και στην παραγωγή H₂O₂ υπό ακτινοβόληση ενέργειας ορατού φάσματος. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα υβριδικά συστήματα (ιδίως CdS@ZIS και BTO@ZIS) εμφανίζουν βελτιωμένη φωτοκαταλυτική απόδοση λόγω αποτελεσματικότερου διαχωρισμού φορέων φορτίου και ευρύτερης απορρόφησης φωτός. Η εργασία καταλήγει ότι ο συνδυασμός μεταλλοχαλκογονιδίων σε ετεροδομές μπορεί να αποτελέσει αποδοτική στρατηγική για την ανάπτυξη νέας γενιάς φωτοκαταλυτών φιλικών προς το περιβάλλον, με εφαρμογές στην απορρύπανση και στη βιώσιμη παραγωγή ενέργειας.