Vliv způsobu přípravy nanočástic oxidu ceru na jeho vlastnosti

Mgr. Jakub TOLASZ

Doctoral thesis

The effect of the preparation method of cerium oxide nanoparticles on its properties

Abstract:

Reaktivní sorbenty na bázi oxidu ceru (CeO2) mají schopnost vázat a chemicky rozkládat některé druhy znečišťujících látek v životním prostředí, jejichž množství neustále roste. Tato práce se zabývá optimalizací nízkoteplotní syntézy nanostrukturního CeO2 za účelem získání reaktivního sorbentu s vysokou účinností rozkladu parathion-methylu (PM), který sloužil jako primární modelová látka (ML) v procesu hodnocení optimalizace. Při optimalizaci byl hodnocen vliv reakční teploty, koncentrace cerité soli a množství srážecího činidla v průběhu syntézy a vliv sušení, žíhání a aktivace povrchu reaktivního sorbentu, jako post-syntetických úprav. Nízkoteplotní syntéza byla zvolena z důvodu možného využití příznivých podmínek potřebných pro přípravu kompozitních materiálů s uhlíkovými komponenty grafen oxidu (GO) a nanodiamantů (ND), které jsou citlivé na vysokou teplotu. Získané materiály byly detailně charakterizovány pomocí vybraných metod analýzy pevných látek, jako je elektronová mikroskopie (SEM, TEM), prášková rentgenová difrakce (XRD), rentgen fotoelektronová spektroskopie (XPS), termická gravimetrie (TG), Ramanova spektroskopie a adsorpce dusíku pro stanovení měrného povrchu a porozity (BET). Bylo prokázáno, že několik klíčových vlastností CeO2, jako je jeho krystalinita, velikost zrn a velikost měrného povrchu, lze snadno řídit reakční teplotou. Tyto vlastnosti významně ovlivňují katalytickou aktivitu připravených nanočástic CeO2 při rozkladu ML. Bylo zjištěno, že v případě použití nejnižší teploty během syntézy (5 °C) lze docílit přípravy nanostrukturního CeO2 s velkým specifickým povrchem (řádově desítky až stovky m2g-1) a velmi malými krystality (jednotky nm). Naopak, v případě použití vyšších teplot lze získat volně agregované uniformní kubické nanočástice. Kombinace vysokého měrného povrchu, vhodného poměru Ce3+/Ce4+, množství povrchových -OH skupin a defektů v nanokrystalické struktuře, předurčují CeO2 k využití v různých aplikacích. Studium interakce CeO2 s širokou skupinou znečišťujících látek, jako jsou pesticidy a léčiva, bylo také předmětem této práce. Získané výsledky ukazují, že CeO2 v nanostrukturní formě je nejen účinným sorbentem pro záchyt většiny znečišťujících látek, ale také účinným reaktivním sorbentem pro rozklad některých znečišťujících látek z vodných i nevodných roztoků s aplikačním potenciálem pro využití při odstraňování kontaminantů z životního prostředí.

Abstract:

Reactive sorbents based on cerium oxide (CeO2) have the ability to adsorb and chemically degrade certain types of pollutants in the environment, the levels of which are continuously increasing. This work focuses on the optimization of low-temperature synthesis of nanostructured CeO2 to obtain a reactive sorbent with high efficiency in the degradation of parathion-methyl (PM), which served as the primary model compound (MC) in the optimization evaluation process. Optimization included assessment of the effect of reaction temperature, concentration of cerium salt, and amount of precipitating agent during synthesis, as well as the effect of post-synthesis treatments such as drying, annealing, and surface activation of the reactive sorbent. Low-temperature synthesis was chosen to facilitate the favorable conditions required for the preparation of composite materials with carbon components such as graphene oxide (GO) and nanodiamonds (ND), which are sensitive to high temperatures. The obtained materials were comprehensively characterized using selected solid-state analysis methods, including electron microscopy (SEM, TEM), X-ray powder diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), thermal gravimetry (TG), Raman spectroscopy, and nitrogen adsorption to determine of specific surface area and porosity (BET). Several key properties of CeO2, such as its crystallinity, grain size, and specific surface area, have been shown to be easily controlled by the reaction temperature. These properties significantly influence the catalytic activity of prepared CeO2 nanoparticles in degradation reactions of MC. It was found that the use of the lowest synthesis temperature (5 °C) allows the preparation of nanostructured CeO2 with a high specific surface area (approximately tens to hundreds of m2g-1) and very small crystallites (approximately one to ten nanometers). Conversely, higher temperatures yield loosely aggregated uniform cubic nanostructures. The combination of high specific surface area, suitable Ce3+/Ce4+ ratio, content of -OH groups on the surface and defects in the nanocrystalline structure predetermines CeO2 for various applications. The subject of this work was also the study of the interaction of CeO2 with a wide range of pollutants such as pesticides and pharmaceuticals. The obtained results indicate that nanostructured CeO2 is not only an effective sorbent for capture of most pollutants, but also an efficient reactive sorbent for the degradation of some pollutants from aqueous and non-aqueous solutions with potential applications in the removal of environmental contaminant.

Keywords

Optimalizace syntézy, CeO2, grafen oxid, nanodiamanty, parathion-methyl, pesticidy, léčiva

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 9. 2023

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Pavel Janoš, CSc.

JAN EVANGELISTA PURKYNĚ UNIVERSITY IN ÚSTÍ NAD LABEM

Faculty of Environment

Doctoral programme / field:
Ecology and environmental protection / Environmental analytical chemistry