Analýza vztahu mezi optickými/elektronovými/texturními/strukturními vlastnostmi dopovaných TiO2 nanomateriálů a jejich aktivitou ve fotokatalýze

Jakub Starostka

Master's thesis

Analysis of the relationship between optical/electron/textural/structural properties of TiO2 doped nanomaterials and its photocatalytic activity

Abstract:

Diplomová práce se zabývá vztahy mezi optickými/ elektronovými/ texturními/ strukturními vlastnostmi neodymem dopovaných TiO2 nanomateriálů a jejich aktivitou při fotokatalytickém rozkladu metanolu. Hlavním cílem fotokatalytického rozkladu metanolu je produkce vodíku. Čistý TiO2 a neodymem dopované fotokatalyzátory TiO2 (0,2; 0,5; 0,8; 1,0 a 1,5 hm. % Nd) byly připraveny metodou sol-gel. Připravené fotokatalyzátory byly charakterizovány rentgenovou fluorescenční spektrometrií, rentgenovou difrakční analýzou, fyzisorpcí dusíkem, UV-vis spektrometrií a fotoelektrochemickým měřením. Fotokatalytický rozklad metanolu byl prováděn ve vsádkovém reaktoru se suspendovanými fotokatalyzátory. Jako zdroj záření byla použita 8 W Hg lampa (λ = 254 nm), která byla umístěna do středu průzoru z křemenného skla ve víku reaktoru. Byla provedena také fotolýza, při které byl rozklad metanolu proveden bez přítomnosti fotokatalyzátoru. Sledovaným produktem fotokatalytického rozkladu metanolu byl vodík. Vliv dopace neodymem na fotokatalytický rozklad metanolu byl sledován v časovém intervalu 0-4 hodiny. Výtěžky vodíku při fotokatalytickém rozkladu metanolu v přítomnosti všech připravených fotokatalyzátorů byly vyšší než při samotné fotolýze. Výtěžky vodíku klesaly v pořadí: 0,2 hm. % Nd/TiO2 > TiO2 > 1 hm. % Nd/TiO2 > 0,8 hm. % Nd/TiO2 > 0,5 hm. % Nd/TiO2 > 1,5 hm. % Nd/TiO2. Nejaktivnějším fotokatalyzátorem byl TiO2 dopovaný 0,2 hm. % Nd. Hlavním parametrem ovlivňující fotokatalytický rozklad metanolu byly defekty v mřížce, které se chovaly jako elektronové pasti. Díky tomuto efektu došlo k prodloužení životnosti fotogenerovaných párů elektron-díra a tím ke zvýšení fotokatalytické účinnosti.

Abstract:

The thesis deals with relation between optical/ electronic/ textural and structural features of neodymium doped TiO2 nanomaterials and their photocatalytic activity during decomposition of methanol. The essential aim of photocatalytic methanol decomposition is production of hydrogen. Pure TiO2 and neodymium doped TiO2 photocatalyst (0,2; 0,5; 0,8; 1,0 a 1,5 hm % Nd) were concocted by using the sol-gel method. The resulting photocatalysts were concocted by X-ray fluorescence spectroscopy, X-ray diffraction, nitrogen physisorption, ultraviolet-visible spectrometry and photoelectrochemical measurements. Photocatalytic decomposition of methanol was performed in annular batch reactor with suspended photocatalysts. As a source of illumination 8 W Hg lamp (λ = 254 nm) was used, which was located in the center quartz glass of the reactor lid. Photolytic decomposition of methanol was performed without presence of a photocatalyst. The object of study the mentioned methanol decomposition was hydrogen. The effect of neodymium doping on photocatalytic decomposition was monitored in a time interval of 0-4 hours. The extract of hydrogen yielded by photocatalytic decomposition of methanol in presence with all prepared photocatalysts were higher than during the photolysis independently. Decrease of hydrogen extract was following: 0,2 hm. % Nd/TiO2 > TiO2 > 1 hm. % Nd/TiO2 > 0,8 hm. % Nd/TiO2 > 0,5 hm. % Nd/TiO2 > 1,5 hm. % Nd/TiO2. The most active photocatalyst was doped with 0,2 hm. % Nd. Defects in the grid were the major influencing parameter photocatalytic decomposition, which conducted like being held in electron traps. This effect increased lifetime of photogenerated electron-hole pairs, and thus enhancing the photocatalytic efficiency.

Keywords

fotokatalýza, rozklad metanolu, TiO2, Nd, produkce vodíku

Keywords

photocatalysis, decomposition of methanol, TiO2, Nd, production of hydrogen

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 30. 4. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 30. 5. 2018
• Supervisor: Kamila Kočí
• Reader: Ivana Troppová

VŠB - Technical University of Ostrava

Fakulta metalurgie a materiálového inženýrství

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