Fotokatalytický rozklad oxidu dusného v přítomnosti nanočástic ZnS imobilizovaných na montmorillonitu

Marcel Šihor

Master's thesis

Photocatalytic decomposition of N2O over ZnS nanoparticles immobilized on montmorillonite

Abstract:

Diplomová práce je zaměřená na fotokatalytický rozklad oxidu dusného v přítomnosti katalyzátoru ZnS imobilizovaném na montmorillonitu (ZnS-MMT). Účelem fotokatalytického rozkladu oxidu dusného, jakožto jednoho ze skleníkových plynů, je jeho přeměna na kyslík a dusík, které jsou přirozenými složkami ovzduší. Nanočástice ZnS byly připraveny precipitací v přítomnosti kationaktivního tenzidu a nanosuspenze byla deponována na jílový minerál montmorillonit. Připravený katalyzátor byl charakterizován atomovou absorpční spektrometrií, transmisní elektronovou mikroskopií a měřením UV-Vis spekter. Fotokatalytický rozklad oxidu dusného byl prováděn ve vsádkovém míchaném reaktoru v přítomnosti práškového katalyzátoru ZnS-MMT s použitím 8 W Hg lampy s vlnovou délkou 254 nm, která byla umístěna v trubici z křemenného skla. Experimentálně bylo určeno optimální množství použitého katalyzátoru ZnS-MMT z hlediska maximální konverze N2O. Toto množství (0,1 g katalyzátoru) bylo následně použito ve všech kinetických experimentech. Při experimentálním studiu fotokatalytického rozkladu N2O v přítomnosti nanočástic ZnS-MMT bylo po 24 hodinách ozařování dosaženo konverze 78,8 %. Rovněž bylo zkoumáno, zda přítomnost vodní páry či kyslíku ovlivňuje účinnost fotokatalytického rozkladu N2O. Přítomnost vodní páry výrazně snížila konverzi N2O (pouze 57,2 %), což mohlo být způsobeno její adsorpcí na povrch katalyzátoru a tím k blokování aktivních míst pro adsorpci N2O. Adsorpce H2O může také způsobit i menší pronikání světla a tím snížit účinnost fotokatalytického rozkladu N2O. Naopak přítomnost kyslíku měla na fotokatalytický rozklad N2O vliv příznivý. Kyslík pravděpodobně reagoval se vznikajícími dírami za vzniku radikálu •O-, který pak dále reagoval s N2O za vzniku dusíku a kyslíku. Vyhodnocení kinetických dat potvrdilo předpoklad, že fotokatalytický rozklad N2O odpovídá 1. řádu rychlosti reakce.

Abstract:

Diploma thesis is aimed on photocatalytic decomposition of nitrous oxide in presence of ZnS catalyst immobilized on montmorillonite (ZnS-MMT). The purpose of photocatalytic decomposition of nitrous oxide, one of the greenhouse gases, is his transformation to oxygen and nitrogen; both are natural compounds in the atmosphere. Nanoparticles of ZnS were prepared by precipitation in presence of cationactive surfactant and the nanosuspension was deposited on clay mineral montmorillonite. Prepared catalyst was characterized by atomic absorption spectroscopy, transmission electron microscopy and by measuring UV-Vis spectra. Photocatalytic decomposition of nitrous oxide was carried out in stirred batch reactor in presence of powder catalyst ZnS-MMT. 8 W Hg lamp with wavelength 254 nm was used and the lamp was placed into quartz glass tube. Optimal amount of used catalyst ZnS-MMT was experimentally determined from maximal conversion of N2O point of view. This amount (0.1 g catalyst) was used in all kinetic experiments. Conversion 78.8% after 24 hours of irradiation was reached during experimental study of photocatalytic decomposition of N2O in presence of nanoparticles of ZnS-MMT. Also influence of presence of water vapor and oxygen on photocatalytic decomposition of N2O was investigated. Presence of water vapor significantly decreased conversion of N2O (only 57.2%), which could be caused by its adsorption on catalyst’s surface and hence blocking active sites for adsorption of N2O. Adsorption of water can also lower penetration of light and hence lower efficiency of photocatalytic decomposition of N2O. On the other side presence of oxygen had positive influence on photocatalytic decomposition of N2O. Oxygen most likely reacted with evolved holes and formed radical •O- which reacted with N2O and formed nitrogen and oxygen. Evaluation of kinetic data confirmed assumption that photocatalytic decomposition of N2O corresponds to first order of reaction rate.

Keywords

fotokatalýza, fotokatalytický rozklad, N2O, ZnS-MMT

Keywords

photocatalysis, photocatalytic decomposition, N2O, ZnS-MMT

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2013

Thesis defence

• Date of defence: 28. 5. 2013
• Supervisor: Kamila Kočí
• Reader: Petr Praus

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

Master programme / field:
Procesní inženýrství / Chemické inženýrství