Sonochemical synthesis of indium nitride and titania composites for photocatalytic applications

Παρασκευοπούλου, Κατερίνα; Paraskevopoulou, Katerina

dc.contributor.author	Παρασκευοπούλου, Κατερίνα	el
dc.contributor.author	Paraskevopoulou, Katerina	en
dc.date.accessioned	2018-11-07T08:59:24Z
dc.date.available	2018-11-07T08:59:24Z
dc.date.issued	2018-11-07
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47931
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.8774
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ηχοχημική σύνθεση	el
dc.subject	Νιτρίδιο του ινδίου	el
dc.subject	Φφωτοκατάλυση	el
dc.subject	Διοξείδιο του τιτανίου	el
dc.subject	Διακόσμηση τιτανίας	el
dc.subject	Sonochemical synthesis	en
dc.subject	Indium nitride	el
dc.subject	Decoration of titania	el
dc.subject	Photocatalysis	el
dc.subject	Methylene blue	el
dc.title	Sonochemical synthesis of indium nitride and titania composites for photocatalytic applications	en
dc.title	Σύνθεση και χαρακτηρισμός νανοσύνθετων υλικών με βάση την τιτανία για φωτοκαταλυτικές εφαρμογές	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Σύνθεση Νανοϋλικών	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-10-19
heal.abstract	Στόχος της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας ήταν η σύνθεση νανοσωματιδίων με την εφαρμογή ηχοχημικής μεθόδου, και η μετέπειτα εναπόθεσή τους σε τιτανία με την ίδια τεχνική, με απώτερο στόχο τον έλεγχο της επίδρασής τους στην φωτοκαταλυτική δραστικότητά της. Η πειραματική διαδικασία διαχωρίστηκε σε δύο στάδια· κατά το πρώτο στάδιο, πραγματοποιήθηκαν οι συνθέσεις των νανοσωματιδίων, και ο χαρακτηρισμός τους με βάση την κρυσταλλικότητα και τη μορφολογία τους. Στο δεύτερο στάδιο, πραγματοποιήθηκε μελέτη σχετικά με την επίδραση των νανοσωματιδίων αυτών στην φωτοκαταλυτική δράση του διοξειδίου του τιτανίου. Αρχικά, εφαρμόστηκε η ηχοχημική μέθοδος για τη σύνθεση νανοσωματιδίων νιτριδίου του ινδίου (InN). Αξίζει να σημειωθεί πως η συγκεκριμένη τεχνική εφαρμόζεται πρώτη φορά για τη σύνθεση των συγκεκριμένων νανοσωματιδίων. Η κρυσταλλικότητα των νανοσωματιδίων αυτών μελετήθηκε με περίθλαση ακτίνων Χ (XRD). Με βάση το γράφημα που προέκυψε, διαπιστώθηκε η ύπαρξη κυβικής και εξαγωνικής δομής των νανοσωματιδίων InN, ενώ το μέγεθός τους υπολογίστηκε περίπου στα 20 nm. Η σταθερά πλέγματος για την κυβική δομή υπολογίστηκε σε αο=0.468 nm, ενώ για την εξαγωνική δομή, η σταθερά πλέγματος βρέθηκε ίση με 0.36 nm. Με βάση το συγκεκριμένο γράφημα, δεν προέκυψε δεύτερη κορυφή που να αντιπροσωπεύει την εξαγωνική φάση των νανοσωματιδίων, συνεπώς δεν ήταν δυνατός ο υπολογισμός της δεύτερης σταθεράς πλέγματος co. Στη συνέχεια, ακολούθησε η μελέτη της μορφολογίας του κρυστάλλου InN με την εφαρμογή της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διελεύσεως υψηλής ανάλυσης (HRTEM). Με βάση τις εκόνες που λήφθησαν, αποδείχθηκε πως το μέσο μέγεθος του κρυστάλλου κυμαίνεται στα 30 nm, αποτέλεσμα που εμφανίζει μια σχετικά μικρή απόκλιση από τα αποτελέσματα του XRD, που προέκυψαν μέσω της εξίσωσης Scherrer και δίνουν σωματίδια με μέγεθος 20 nm. Ακολούθησε η διακόσμηση της εμπορικής μικρομετρικής τιτανίας Kronos1077, με τα νανοσωματίδια InN, με την εφαρμογή ηχοχημικής μεθόδου. Η νεοσυντιθέμενη σκόνη, μελετήθηκε ως προς την κρυσταλλικότητά της μέσω της τεχνικής XRD, αλλά και ως προς τη μορφολογία της, μέσω της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διελεύσεως υψηλής ανάλυσης (HRTEM). Με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν, αποδείχθηκε η ύπαρξη «μικρής» κατανομής νανοσωματιδίων InN στην επιφάνεια της τιτανίας, κάτι το οποίο ήταν αναμενόμενο, καθώς το κατά βάρος ποσοστό της διακόσμησής της ήταν 10 % w/w. Στη συνέχεια, παρασκευάστηκε αιώρημα νανοσωματιδίων Au, ακολούθησε η σύνδεσή τους με τα νανοσωματίδια InN, εφαρμόζοντας ηχοχημική μέθοδο, και η τελική τους διακόσμηση σε τιτανία με την ίδια μέθοδο. Στο τελικό στάδιο της πρωτης φάσης πειραμάτων, πραγματοποιήθηκε η διακόσμηση της τιτανίας Κronos1077 με νανοσωματίδια φωσφιδίου του ινδίου (InP), εφαρμόζοντας και σε αυτή την περίπτωση υπερήχους. Με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν από το γράφημα XRD επιβεβαιώνεται η επιτυχής εναπόθεση του InP πάνω στην τιτανία. Κατά το δεύτερο στάδιο των πειραμάτων, πραγματοποιήθηκε έλεγχος της φωτοκαταλυτικής δράσης των υλικών InN, InP, TiO2, TiO2/InN, TiO2/InP, και TiO2/InN/Au, έναντι του ρύπου methylene blue (ΜΒ), υπό την επίδραση ακτινοβολίας UV-A. Και σε αυτή τη σειρά των πειραμάτων η τιτανία που χρησιμοποιήθηκε ήταν η Kronos1077. Τα αποτελέσματα που συγκεντρώθηκαν από τα αντίστοιχα φάσματα απορρόφησης απέδειξαν πως η εφαρμογή των InN και InP σε καθαρή μορφή δεν συνέβαλε στην αποδόμηση του ρύπου. Αντίθετα, η εναπόθεση αυτών των υλικών στην τιτανία, βελτίωσε τη φωτοκαταλυτική δραστικότητά της, η οποία αυξήθηκε κατά 41.8 % και 38.5% αντίστοιχα, συγκριτικά με την περίπτωση που χρησιμοποιήθηκε απλή τιτανία. Τέλος, η προσθήκη χρυσού στην σκόνη TiO2/InN, φάνηκε πως εμπόδισε τη φωτοκαταλυτική δράση.	el
heal.abstract	In this study, a sonochemical procedure exploiting high energy ultrasounds was used in order to obtain the synthesis of indium nitride (InN) nanoparticles. To our knowledge, up to date there is no other study reporting the synthesis of InN nanoparticles using ultrasounds. The resulted powder has been characterized using X-ray powder diffraction (XRD), and Transmission Electron Microscopy (TEM). Further, sonication was used in order to obtain decoration of commercial micrometric Titania Kronos 1077, with InN, Au, and indium phosphide (InP) nanoparticles. The photocatalytic activity of TiO2 decorated with nanoparticles, was tested using the environmental pollutant, Methylene Blue (MB). Indium nitride is in the group of III-semiconductor materials, with unique properties very suitable for modern electronic and optoelectronic applications. Due to its low thermal stability, InN is difficult to synthesize. We managed to synthesize InN nanoparticles, from the reaction of InCl3 with Li3N, using power ultrasounds, with xylene as solvent. The mixture was sonicated with a 60% amplitude, using a sonic horn with a diameter of 6.5 mm, at a resulting temperature of 93 °C for 3 h. The colour of the mixture was purple and remained the same throughout the experiment. After removing the xylene by centrifugation, the product was washed two times with 40 ml of distilled water, to remove the by-products, dried at 60 °C in vacuum, and a gray powder was received. From XRD analysis of InN nanoparticles, two different phases of hexagonal InN (h-InN) and cubic (c-InN) can be indexed. The c-InN peaks appeared at 31.7ο (111), 39.1ο (200) and 56.5ο (220), and the peak at 56.5ο indicated a lattice constant of 0.468 nm. The h-InN peak at 51.2ο (110), showed that the hexagonal InN has a lattice parameter of 0.36 nm. Unfortunately, there was no other peak at hexagonal phase to estimate lattice constant co. The Scherrer equation estimated the average sizes of the powder, which was approximately 20 nm for both c-InN and h-InN. Further, the crystal structure and morphology of InN was also studied by high-resolution TEM (HRTEM), and exhibited the shape of cubic crystals, confirming the experimental evidence obtained by means of XRD. As observed, the average size of the crystal was about 30 nm in width, which is not close enough to the XRD results (20 nm). Also, the crystal was growing along (101) axis and the d value found to be 0.270 nm. The cubic crystals exhibited different dimensions, which were well ordered. The next step, was the decoration of micrometric commercial titania Kronos 1077 with InN nanoparticles using ultrasounds in order to test the photocatalytic activity of TiO2. TiO2, is the most widely investigated photocatalyst, but it’s unable to be active under the visible light. For the decoration of TiO2 with InN nanoparticles, 100 mg of InN powder and 1 g of TiO2 were dispersed into 40 ml of distilled water, and sonicated, using a sonic horn with a diameter of 6.5 mm, at a set temperature of 90 °C for 2.30 h, with a 50 % amplitude. The XRD pattern of TiO2 decorated with InN was exhibited the presence of the peaks characteristic of the anatase phase. The crystal structure and morphology was also studied by HRTEM. The HRTEM images of TiO2 decorated with InN nanoparticles showed that the decorated sample exhibited the main morphological features typical of the Kronos system, and that was the well ordered TiO2 crystallites with almost unchanged average dimensions, in agreement with XRD results. The family of planes (101) of TiO2 had a distance d=0.352 nm, which is corresponding to anatase (ICDD n. 21-1272). Although, some InN was observable on top of the titania crystals. The low distribution of InN on TiO2 was due to the fact that the rate of decoration was 10 % w/w. The family of planes (102) of InN, had a distance d=0.208 nm. Further, titania Kronos1077 was decorated with InP nanoparticles, using ultrasounds. For the decoration, 100 mg of InP powder and 1 g of TiO2, were dispersed into 40 ml of distilled water, and sonicated, using a sonic horn with a diameter of 6.5 mm, at a set temperature of 90 °C for 2.30 h, with a 50 % amplitude. XRD pattern showed the successful decoration of TiO2 with InP. For the decoration of TiO2 with InN-Au powder, 100 mg of InN-Au powder and 1 g of TiO2, were dispersed into 30 ml of distilled water, and sonicated, using a sonic horn with a diameter of 6.5 mm, at a set temperature of 90 °C for 2.30 h, with a 55 % amplitude. The photocatalytic properties of the powders TiO2, TiO2/InN, TiO2/InP, and TiO2/InN/Au, were tested calculating the degradation of methylene blue. For the photocatalytic tests, a stock solution was prepared in a 100 ml glass flask, by dissolving 18.7 mg of MB, into 50 ml of distilled water. Then, after appropriate dilution of the stock solution in a 500 ml glass flask, an aqueous solution of MB, C=2*10-5 M was prepared. In this solution 2 mg of the powder were dispersed, and the mixture was placed in a magnetic stirrer, under UV radiation. Every 20 min, 2 ml of the solution were filled in individual cell, which was then placed in the ultraviolet spectrophotometer and, the absorption spectrum was obtained by scanning from 800 nm to 400 nm. To monitor the photodegradation of the dye a sample of the solution after irradiation was transferred to a cuvette and subjected to absorption studies on a UV-Vis spectrophotometer (U-5100 Hitachi). The degree of decoloration was then calculated from the decrease of absorbance of the dye solution at its maximum absorption wavelength as follows: 𝐷��𝑒��𝑔��𝑟��𝑎��𝑑��𝑎��𝑡��𝑖��𝑜��𝑛�� %=1−𝐴��𝑖��𝐴��𝑜��, where, A0 and Ai are the absorbance values of the dye solution, before and after irradiation respectively. The results of the photocatalytic tests, showed that the decoration of TiO2 with InN and InP raised the photocatalytic activity of TiO2 41.8 % and 38.5 %, respectively. Instead, gold nanoparticles didn’t affect the potocatalytic activity of TiO2 decorated with InN. Through the innovations introduced by sonochemistry, it was possible to obtain InN nanoparticles. Further, we managed to decorate InN, InP, and InN/Au nanoparticles on micro-TiO2, in order to investigate possible effects on the photocatalytic activity of TiO2. Although, TiO2 is the most effective material in photocatalysis, it is uneffective under visible light. The photodegradation of methylene blue, showed that the decoration with InN and InP increased the photocatalytic activity of titania. Keywords: Sonochemistry, Indium nitride, Indium	en
heal.advisorName	Αργυρούσης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Κυρίτσης, Αποστόλης	el
heal.committeeMemberName	Βουγιούκα, Σταματίνα	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	86 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true