Stabilizace sono syntetizovaného fotocatalistu na textil a rozvoj multifunkčních nanokompozitů

Muhammad Tayyab Noman, M.Sc.

Doctoral thesis

Stabilization of Sono Synthesized Photocatalyst on Textiles and Development of Multifunctional Nanocomposites

Abstract:

Nanočástice (NP) s menší velikostí a vyšší krystalinitou mají významný vliv na fotokatalytický výkon fotokatalyzátoru. Tato práce se zabývá syntézou a stabilizací nového fotokatalyzátoru pro zvýšení funkčních vlastností textilií. Navíc je použita ultrazvuková akustická metoda in-situ pro vývoj nových multifunkčních nanokompozitů bavlna-TiO2 (CT). Ultrazvukovou akustickou metodou byly úspěšně syntetizovány nanočástice oxidu titaničitého (TiO2) ve formě čistého anatasu, které mají průměrnou velikost 4 nm a jsou vysoce fotoaktivní. Za pomoci metody centrálního kompozitního designu (CCD) a metody povrchové odezvy (RSM) byl zkoumán vliv procesních proměnných (koncentrace prekurzorů a doba sonizace) na výsledný produkt. Vlastnosti připravených nanočástic (RNP) byly analyzovány skenovací elektronovou mikroskopií (SEM), dynamickým rozptylem světla (DLS), transmisní elektronovou mikroskopií (TEM), rentgenovou difraktometrií (XRD) a Ramanovou spektroskopií. V experimentech ověřujících fotokatalytické vlastností byla použita metylenová modř (MB), která je považována za model organické znečišťující látky v textilním průmyslu. Pro posouzení fotokatalytických vlastností (účinnost v odstraňování barviva) byla provedena srovnávací analýza vyvinutého fotokatalyzátoru s komerčně dostupným fotokatalyzátorem Degussa P25. Rychlé odstranění MB v případě RNP naznačuje jejich vyšší fotokatalytickou aktivitu než P25. Za optimálních podmínek (10ml titanium tetraisopropoxidu (TTIP), 4ml etylenglykolu (EG) konc. a doba sonizace 1 h) byla dosažena maximální účinnost odstraňování barviva 99%. Je zajímavé, že při kalcinaci nebyl nalezen žádný významný rozdíl ve fotokatalytickém výkonu RNP. Samočisticí účinnost RNP aplikovaných na bavlnu byla navíc vyhodnocena v barevném prostoru RGB. Získané výsledky ukazují na významný vliv ultrazvukového působení na fotokatalytický výkon čistého anatasu než na jakýkoli jiný hybridní typ nanočástic oxidu titaničitého. V dalším experimentu bylo dosaženo povrchové fixace RNP na bavlněnou tkaninu ultrafialovým zářením (UV). Adheze nanočástic na povrchu vlákna, tahové chování a fyzikálně chemické změny před UV ozářením a po něm, byly zkoumány pomocí spektrometrů SEM, Energy Dispersive X-ray (EDX) a spektroskopií s induktivní dvojitou plazmovou atomovou emisí (ICP-AES). Experimentální proměnné, tj. množství nanočástic TiO2, teplota systému a doba UV záření byly optimalizovány pomocí CCD a RSM. Také byly vyvinuty dva matematické modely pro aplikaci TiO2 na bavlnu a pevnost v tahu bavlny po UV ozáření. Modely byly dále použity k potvrzení získaných výsledků. Byla vyrobena samočistící tkanina synergickou kombinací bavlny s vysoce fotoaktivními nanočásticemi TiO2. Byla hodnocena stabilita při UV záření a samočisticí vlastnosti vyrobené tkaniny. Nakonec byly ultrazvukovou akustickou metodou in situ připraveny nanokompozity bavlna-TiO2 (CT) s multifunkčními vlastnostmi. Působení ultrazvuku bylo použito jako potenciální nástroj pro vývoj CT nanokompozitů při nízké teplotě v přítomnosti tetrachloridu titaničitého (TTC) a isopropanolu (ISP). Syntetizované vzorky byly charakterizovány metodami XRD, SEM, EDX a ICP-AES. Dále byly sledovány funkční vlastnosti jako ultrafialový ochranný faktor (UPF), samočisticí schopnosti, stálost v praní, antimikrobiální vlastnosti a pevnost CT nanokompozitů v tahu. Pro vyhodnocení vybraných vlivů byly využity metody CCD a RSM. Výsledky potvrzují současně vznik a inkorporaci anatasového TiO2 s průměrnou velikostí krystalů 4 nm na bavlněnou tkaninu, vzniká materiál s vynikajícími fotokatalytickými vlastnostmi. Samočisticí účinnost CT nanokompozitů i po 30 cyklech praní naznačuje jejich vynikající život

Abstract:

nost. Při statistické analýze vybraných proměnných v přípravě a fixaci TiO2 na bavlnu byly ověřeny jejich významné účinky na fotokatalytické vlastnosti CT nanokompozitů.

Abstract:

Nanoparticles (NPs) with smaller size and higher crystallinity exert a remarkable influence on the photocatalytic performance of a photocatalyst. This dissertation is about the synthesis and stabilization of a novel photocatalyst to enhance the functional properties of textiles. Moreover, an in-situ Ultrasonic Acoustic Method (UAM) is used to develop novel Cotton-TiO2 (CT) multifunctional nanocomposites. Highly photo active pure anatase form of TiO2 (titanium dioxide, titania) NPs with average particle size 4 nm have been successfully synthesized by Ultrasonic Acoustic Method (UAM). The effects of process variables i.e. precursors concentration and sonication time were investigated based on Central Composite Design (CCD) and Response Surface Methodology (RSM). The characteristics of the Resulting Nanoparticles (RNP) were analysed by Scanning Electron Microscopy (SEM), Dynamic Light Scattering (DLS), Transmission Electron Microscopy (TEM), X-ray Diffractometry (XRD) and Raman Spectroscopy. Photocatalytic experiments were performed with Methylene Blue (MB) dye which is considered as a model organic pollutant in textile industry. A comparative analysis between the developed photocatalyst and commercially available photocatalyst Degussa P25 was performed for photocatalytic performance against dye removal efficiency. The rapid removal of MB in case of RNP indicates their higher photocatalytic activity than P25. Maximum dye removal efficiency 99 % was achieved with optimal conditions i.e. Titanium Tetraisopropoxide (TTIP) conc. 10 mL, Ethylene Glycol (EG) conc. 4 mL and sonication time 1 h. Interestingly, no significant difference was found in the photocatalytic performance of RNP after calcination. Moreover, self-cleaning efficiency of RNP deposited on cotton was evaluated in RGB (Red, Green, Blue) colour space. The obtained results indicate the significant impact of ultrasonic irradiations on the photocatalytic performance of pure anatase form than any other hybrid type of TiO2 NPs. In another experiment, facile embedding of the Resulting Nanoparticles (RNP) onto cotton fabric has been successfully attained by Ultraviolet (UV) light irradiations. The adhesion of NPs with fibre surface, tensile behaviour and physicochemical changes before and after UV treatment were investigated by SEM, Energy Dispersive X-ray (EDX) and Inductive Couple Plasma-Atomic Emission (ICP-AES) Spectroscopies. Experimental variables i.e. dosage of TiO2 NPs, temperature of the system and time of UV irradiations were optimised by CCD and RSM. Moreover, two different mathematical models were developed for incorporated TiO2 onto cotton and tensile strength of cotton after UV treatment, and further used to testify the obtained results. Self-clean fabric through a synergistic combination of cotton with highly photo active TiO2 NPs was produced. Stability against UV irradiations and self-cleaning properties of the produced fabric were evaluated. Finally, Cotton-TiO2 (CT) nanocomposites with multifunctional properties were synthesized by an in-situ Ultrasonic Acoustic Method (UAM). Ultrasonic irradiations were used as a potential tool to develop CT nanocomposites at low temperature in the presence of Titanium Tetrachloride (TTC) and Isopropanol (ISP). The synthesized samples were characterized by XRD, SEM, EDX and ICP-AES methods. Functional properties i.e. Ultraviolet Protection Factor (UPF), self-cleaning, washing durability, antimicrobial and tensile strength of the CT nanocomposites were evaluated by different methods. CCD and RSM were employed to evaluate the effects of selected variables on responses. The results confirm the simultaneous formation and incorporation of anatase TiO2 with average crystallite size of 4 nm on cotton fabric with excellent photocatalytic properties. The sustained self-cleaning efficiency of CT nanocomposites even after 30 home launderings indicates their excellent washing durability. Significant effects were obtained during statisti

Keywords

TiO2, Anatas, Fotokatalýza, Sonochemická syntéza, Degradace barviv, Ultrazvukové ozařování, Etylenglykol, Odpovídající povrchy, Samostabilizace, Samočistění, Nanočástice, Ultrazvukové akustické metody, Faktor ochrany proti ultrafialovému záření, Nanokompozity

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 9. 2018

Thesis defence

• Supervisor: Ing. Jana Šašková, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Textile Engineering

Doctoral programme / field:
Textile Engineering / Textile Technics and Materials Engineering