Příprava a charakterizace oxidů kovů na bázi Ti, La a N pomocí přetlakových a superkritických tekutin využitelných pro snižování znečištění životního prostředí

Lucie Jarolímová

Master's thesis

Preparation and characterization of oxides based on Ti, La and N by using pressurized hot and supercritical fluids for mitigation of environmental pollution

Abstract:

Diplomová práce je zaměřena na přípravu nanostrukturovaného oxidu na bázi Ti, La a N zpracováním v přetlakové vodě a přetlakovém/superkritickém methanolu, jeho fyzikálně chemickou charakterizaci a testování jeho fotokatalytické aktivity ve fotodegradaci modelového azobarviva Acid oranže 7 pod UV světlem. Cílem práce byla optimalizace dopování La/TiO2 dusíkem a experimentálních podmínek vysokotlakého zpracování (objemu vody, teploty a tlaku) tak, aby byl získán nejaktivnější fotokatalyzátor N La/TiO2 ve fotodegradaci azobarviva Acid oranže 7. Práškový nanostrukturovaný N La/TiO2 byl připraven zpracováním gelového prekursoru připraveného metodou sol-gel, vedenou v reverzně micelárním prostředí neionogenního tenzidu Triton X-114, přetlakovou vodou a přetlakovým či superkritickým methanolem. Byl studován vliv dopování dusíkem (10-50 hm.%), objemu vody použitého ke krystalizaci (1-2 l), teploty (25-250 °C) a tlaku (10 30 MPa) na čistotu, texturní, strukturní, optické a fotokatalytické vlastnosti N La/TiO2. Čistota N-La/TiO2 byla charakterizována prostřednictvím organické elementární analýzy, texturní vlastnosti jako je specifický povrch či distribuce velikosti pórů byly stanoveny pomocí fyzisorpce dusíku, strukturní vlastnosti prostřednictvím rentgenové difrakce a optické vlastnosti pomocí měření difúzní reflektance v UV-Vis oblasti. K vyhodnocení fotodegradačních účinků byla použita UV Vis spektrofotometrie. Bylo zjištěno, že množství dopovaného dusíku a teplota mají významný vliv na texturu, strukturu a velikost krystalitů anatasu v N-La/TiO2. Teplota zpracování navíc významně ovlivňuje i čistotu a optické vlastnosti N-La/TiO2. Objem vody a tlak mají vliv na strukturu anatasu. Nejvyšší fotokatalytickou aktivitu ve fotodegradaci Acid oranže 7 vykazovalo 10 hm.% N-La/TiO2 zpracované při 225 °C, 10 MPa, za použití sekvence rozpouštědel 1,5 l destilované vody, 0,25 l methanolu a 0,1 l destilované vody. Za optimálních podmínek vysokotlakého zpracování byly rovněž připraveny referenční TiO2, 10 hm.% N/TiO2 a 0,2 hm.% La/TiO2. Dopování TiO2 dusíkem i lanthanem ovlivňuje velikost krystalitů anatasu, dopování TiO2 lanthanem pak i strukturu anatasu. Z porovnání fotokatalytické aktivity připravených fotokatalyzátorů vyplynulo, že 10 hm.% N La/TiO2 vykazuje vyšší fotoaktivitu než všechny referenční fotokatalyzátory.

Abstract:

This diploma thesis is focused on preparation of nanostructured oxide based on Ti, La and N by using pressurized hot water and pressurized hot/supercritical methanol, its physico-chemical characterization and investigation of its photocatalytic activity in photodegradation of model azo-dye Acid orange 7 under UV light. The goal of this work was the revelation of optimal nitrogen amount doped to La/TiO2 and optimization of processing conditions (water volume, temperature and pressure) in the way to prepare the most active N-La/TiO2 photocatalyst in photodegradation of azo-dye Acid orange 7. Nanostructured N-La/TiO2 powder photocatalyst was prepared by processingof gel precursor synthesized via sol-gel method, controlled in the reverse micellar environment of non-ionic surfactant Triton X-114, by pressurized hot water and pressurized hot or supercritical methanol. The influence of nitrogen doping (10-50 hm.%), water volume used for crystallization (1-2 l), temperature (25 250 °C) and pressure (10-30 MPa) on the purity, textural, structural, optical and photocatalytic properties of N-La/TiO2 was investigated. The purity of N-La/TiO2 was characterized by using organic elementary analysis, textural properties such as the specific surface area and pore-size distribution were determined by using nitrogen physisorption, structural properties by X-ray diffraction and optical properties by diffuse reflectance measurements in UV-Vis region. Photodegradation effect was evaluated by using UV-Vis spectrophotometry. It was found out that the doped amount of nitrogen and temperature affect significantly the texture, structure and crystallite-size of anatase in N-La/TiO2. Moreover, processing temperature affects significantly the purity and optical properties of N-La/TiO2 as well. Volume of water and pressure influence the structure of anatase in N-La/TiO2. 10 hm.% N La/TiO2 processed at 225 °C, 10 MPa, using the sequence of 1,5 l of water, 0,25 l of methanol a 0,1 l of water showed the highest photocatalytic activity in photodegradation of Acid orange 7.Using optimal processing conditions the reference TiO2, 10 hm.% N/TiO2 and 0,2 hm.% La/TiO2 photocatalysts were prepared. TiO2 dopation by nitrogen and lanthanum influence the anatase crystallite-size. Moreover, lanthanum in TiO2 influences the anatase structure. Based on the comparison of photocatalytic activity of developed photocatalysts it may be stated that 10 hm.% N-La/TiO2 shows higher photocatalytic activity than all reference photocatalysts.

Keywords

oxid titaničitý, dusík, lanthan, dopování, sol-gel metoda, přetlaková voda, přetlakový/superkritický methanol, struktura

Keywords

titanium dioxide, nitrogen, lanthanum, dopation, sol-gel method, pressurized hot water, pressurized hot/supercritical methanol, structure

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 4. 2019

Thesis defence

• Date of defence: 29. 5. 2019
• Supervisor: Lenka Matějová
• Reader: Kateřina Karásková

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta materiálově-technologická

Master programme / field:
Procesní inženýrství / Chemické a environmentální inženýrství