Σύνθεση και χαρακτηρισμός υβριδικού υλικού από οξείδιο του γραφενίου και ZnIn2S4

Γιασεμή, Μαριάννα; Giasemi, Marianna

dc.contributor.author	Γιασεμή, Μαριάννα	el
dc.contributor.author	Giasemi, Marianna	en
dc.date.accessioned	2016-02-02T11:33:39Z
dc.date.available	2016-02-02T11:33:39Z
dc.date.issued	2016-02-02
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/41909
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.11232
dc.rights	Default License
dc.subject	Photocatalytic activity	en
dc.subject	Σουλφίδιο του ινδίου ψευδαργύρου	el
dc.subject	Οξείδιο του γραφενίου	el
dc.subject	Γραφένιο	el
dc.subject	Φωτοκαταλυτική δράση	el
dc.subject	Υβριδικό υλικό	el
dc.subject	Graphene	en
dc.subject	Hybrid material	en
dc.subject	Graphene oxide	en
dc.title	Σύνθεση και χαρακτηρισμός υβριδικού υλικού από οξείδιο του γραφενίου και ZnIn2S4	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ανόργανη και αναλυτική χημεία	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-10-09
heal.abstract	Η παρούσα διπλωματική εργασία αποσκοπεί στη σύνθεση και το χαρακτηρισμό υβριδικού υλικού αποτελούμενου από οξείδιο του γραφενίου (Graphene Oxide-GO) και σουλφίδιο ινδίου ψευδαργύρου (ZnIn2S4). Το γραφένιο είναι μια αλλοτροπική μορφή άνθρακα η οποία αποτελείται από ένα επίπεδο, πάχους ενός ατόμου, στρώμα sp2 ατόμων άνθρακα, τα οποία είναι πυκνά διατεταγμένα σε δισδιάστατο (2D) κυψελλοειδές πλέγμα. Έχει εξαιρετικές ιδιότητες και μεγάλη ειδική επιφάνεια, χαρακτηριστικά τα οποία πηγάζουν από τη δισδιάστατη δομή του και το καθιστούν ιδανικό για πλήθος εφαρμογών, όπως στο πεδίο της οπτοηλεκτρονικής, της κατάλυσης και της βιοιατρικής. Το οξείδιο του γραφενίου διατηρεί την στρωματική, δισδιάστατη δομή, με κύρια διαφορά την ύπαρξη διαφόρων χαρακτηριστικών ομάδων οξυγόνου συνδεδεμένων με το υπάρχον εξαγωνικό πλέγμα. Διατηρεί σε ένα ποσοστό τις καλές ιδιότητες του γραφενίου, το πιο ελκυστικό όμως χαρακτηριστικό του είναι η χημική δραστικότητα του. Αποτέλεσμα αυτής είναι αφενός η δυνατότητα αναγωγής και παραγωγής καθαρού γραφενίου, αφετέρου η δυνατότητα τροποποίησης/ενεργοποίησης του, προκειμένου να επιτευχθούν επιθυμητές τελικές ιδιότητες και δομικά χαρακτηριστικά. Το ZnIn2S4 ανήκει στην ειδική κατηγορία των ενώσεων των χαλκογονιδίων και ως ένας σημαντικός ημιαγωγός έχει προσελκύσει μεγάλη προσοχή λόγω των εξαιρετικών ηλεκτρικών και οπτικών ιδιοτήτων του. Έχει ένα κατάλληλο ενεργειακό χάσμα (2,34 εώς 2,48 eV), το οποίο ανταποκρίνεται πολύ καλά στην απορρόφηση ορατού φωτός και λόγω της μεγάλης χημικής σταθερότητάς του έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον για την φωτοκαταλυτική του δράση στην αποδόμηση οργανικών ρύπων και στη διάσπαση του νερού για παραγωγή υδρογόνου. Ωστόσο, η φωτοκαταλυτική του δράση είναι χαμηλή λόγω της κακής απόδοσης διαχωρισμού και της χαμηλής ικανότητας μετανάστευσης των φωτοδιεγερμένων φορέων φορτίου, έτσι για βελτίωσή της γίνεται ενίσχυση του ZnIn2S4 με γραφένιο ή οξείδιο του γραφενίου (GR ή GO) λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων του, όπως η απορρόφηση του ορατού φωτός, η εξαιρετική ικανότητα μεταφοράς ηλεκτρονίων εντός του φωτοκαταλύτη και η καταστολή ανασυνδυασμού του φορτίου. Επίσης, η μεγάλη ειδική επιφάνεια, η υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα, η σταθερότητα και οι συντονισμένες επιφανειακές ιδιότητές του βελτιώνουν τη φωτοκαταλυτική δράση του ημιαγωγού ZnIn2S4. Τέλος, το πιο σημαντικό είναι ότι το στενό διάκενο ζώνης του φωτοκαταλυτικού υβριδικού ημιαγωγού/GR ή GO έχει δείξει αυξημένη αντοχή στη διάβρωση με ενισχυμένη φωτοσταθερότητα. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, η σύνθεση των υβριδικών υλικών περιλαμβάνει αρχικά το στάδιο παρασκευής του GO και εν συνεχεία το στάδιο ενσωμάτωσης των νανοσωματιδίων στα νανοφύλλα. Το GO παράχθηκε μέσω οξείδωσης γραφίτη, με χρήση ισχυρών οξειδωτικών αντιδραστηρίων (modified Hummers method). Η ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων έγινε με τη μέθοδο της ηλεκτροστατικής αυτό-συναρμολόγησης (self assembly) πάνω στα νανοφύλλα του GO. Πιο συγκεκριμένα, το GO ενεργοποιήθηκε με τις επιφανειοδραστικές ουσίες CTAB και PSS και εν συνεχεία διασπάρθηκε σε αιθυλενογλυκόλη (EG). Ο σχηματισμός των νανοσωματιδίων έγινε με διαλυτοθερμική (solvothermal) μέθοδο σε μέσο πολυόλης. Στο διάλυμα του ενεργοποιημένου GO-EG προστέθηκε η ουσία ZnIn2S4 και τα σταθεροποιητικά αντιδραστήρια NaAc και PEG και το εναιώρημα σφραγίστηκε σε αυτόκλειστο και θερμάνθηκε στους 200οC. Οι πυρήνες του ZnIn2S4, σχηματίστηκαν in situ με προσρόφηση των ιόντων Zn2+ και In3+ στην επιφάνεια του GO τα οποία αντέδρασαν με την EG παράγοντας ένα σύμπλοκο το οποίο αντέδρασε περαιτέρω με τα ανιόντα S2- από τη διάσπαση της θειουρίας και καθώς προχωρούσε η αντίδραση οι πυρήνες μεγάλωσαν δημιουργώντας νανοσωματίδια τα οποία τελικά καθώς μεγάλωναν διασυνδέθηκαν μεταξύ τους σχηματίζοντας μεγαλύτερα συσσωματώματα ZnIn2S4 σωματίδιων πάνω στα φύλλα GO σχηματίζοντας το τελικό νανοϋβριδικό υλικό. Ο χαρακτηρισμός των προϊόντων έγινε με διάφορες ενόργανες μεθόδους ανάλυσης, όπως Περίθλαση Ακτίνων X (XRD), Φασματοσκοπία Υπερύθρου με μετασχηματισμό Fourier (FTIR), Ηλεκτρονιακό Μικροσκόπιο Σάρωσης Εκπομπής Πεδίου (FESEM), Θερμοβαρυμετρική Ανάλυση (TG) και Φασματοσκοπία Raman (Raman Spectroscopy). Οι αναλύσεις με τις παραπάνω μεθόδους πιστοποίησαν την ενσωμάτωση των νανοφύλλων ZnIn2S4 στα νανοφύλλα του GO. Τέλος, μελετήθηκε και η φωτοκαταλυτική δράση των παραγόμενων υβριδικών υλικών, υπό την ακτινοβολία ορατού φωτός, για την αποικοδόμηση του δείκτη πορτοκαλί του μεθυλίου ή ηλιανθίνη (methylorange).	el
heal.abstract	This thesis aims towards the synthesis and characterization of hybrid materials consisting of graphene oxide (Graphene Oxide-GO) and zinc indium sulfide (ZnIn2S4). Graphene is an allotropic form of carbon which consists of a flat, one atom thick layer of sp2 carbon atoms, which are densely arranged in a two dimensional (2D) honeycomb grid. It has excellent properties and high specific surface, characteristics that stem from its two-dimensional structure and make it ideal for numerous applications, such as in the field of optoelectronics, catalysis and biomedicine. Graphene oxide maintains the layered, two-dimensional structure, with the main difference being the presence of various oxygen functional groups linked to the existing hexagonal lattice. GO maintains to some extent the good properties of graphene, but the most attractive feature is its chemical activity. As a result, reduction procedure, in order to produce pristine graphene, and functionalization, in order to achieve desired final properties and structural characteristics, are both highly effective. ZnIn2S4 belongs in the special category of chalcogenides and as an important semiconductor has attracted considerable attention due to its outstanding electrical and optical properties. It has a suitable band gap (2.34 eV up to 2.48 eV), well corresponding to the visible light region and beacause of its considerable chemical stability has attracted great interest for visible light-driven photocatalytic degradation of organic pollutants and water splitting to produce hydrogen. However, the photocatalytic activity is low because of the poor separation efficiency and low migration ability of the photoexcited charge carriers, so for its improvement it is strengthening with graphene oxide or graphene (GR or GO), due to its excellent properties, such as visible light absorptivity, superior electron transport ability within the photocatalysts, and suppressed charge recombination. Also, the large surface area, high electrical conductivity, stability and tunable surface properties improve the photocatalytic activity of semiconductor ZnIn2S4. Finally, more importantly, the narrow bandgap semconductor/graphene hybrid photocatalysts have shown an increased photocorrosion resistance with enhanced photostability. In the current project thesis, the composition of the nanohybrid material comprises initially with the step of preparing the GO and then, incorporating nanoparticles in GO nanosheets. The GO was produced by oxidation of graphite using strong oxidizing agents (modified Hummers method). The incorporation of nanoparticles was accomplished by the method of the electrostatic self-assembly onto GO. More specifically, GO was functionalized by surfactants CTAB and PSS and then was dispersed in ethylene glycol (EG). Nanoparticles were formed via a polyol-medium solvothermal method. ZnIn2S4 and the stabilizing reagents NaAc and PEG were added to the solution of functionalized GO-EG and the suspension was sealed in an autoclave and heated at 200oC. ZnIn2S4 nuclei formed in situ by adsorption of ions Zn2+ and In3+ to the surface of GO which were reacted with EG producing a complex which was further reacted with anions S2- from the degradation of thiourea and as the reaction continued the as-formed ZnIn2S4 nuclei tend to grow larger thus, forming nanoparticles which as they grow larger thay form agglomerates of ZnIn2S4 particles on the GO sheets, thus foring the final nanohybrid material. The final products were characterized by various instrumental methods of analysis, such as X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR), Field Emission Scanning Electron Microscopy (FESEM), Thermogravimetric analysis (TG) and Raman Spectroscopy. The results of the above methods confirmed the successful incorporation of ZnIn2S4 nanosheets in GO nanosheets. Finally, the photocatalytic activity of the produced hybrid material was studied under the radiation of visible light for the degradation of methyl orange indicator.	en
heal.advisorName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Χαμηλάκης, Στυλιανός	el
heal.committeeMemberName	Τζαμτζής, Νικόλαος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών (I)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	92 σ.
heal.fullTextAvailability	true