Σύνθεση και Χαρακτηρισμός Καινοτόμων Νανοδομημένων Υλικών Τιτανίας για Φωτοκαταλυτική Αποικοδόμηση Ρύπων στο Νερό

Αρφάνης, Μιχαήλ

dc.contributor.author	Αρφάνης, Μιχαήλ	el
dc.date.accessioned	2019-04-08T09:21:06Z
dc.date.issued	2019-04-08
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48581
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.3082
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	Φωτοκατάλυση	el
dc.subject	Photocatalysis	en
dc.subject	Διοξείδιο του τιτανίου	el
dc.subject	Titanium dioxide	en
dc.subject	Νανοσωλήνες	el
dc.subject	Nanotubes	en
dc.subject	Φωτονικοί Κρύσταλλοι	el
dc.subject	Photonic Crystals	en
dc.subject	Ρύποι αυξημένου ενδιαφέροντος	el
dc.subject	Emerging contaminants	en
dc.title	Σύνθεση και Χαρακτηρισμός Καινοτόμων Νανοδομημένων Υλικών Τιτανίας για Φωτοκαταλυτική Αποικοδόμηση Ρύπων στο Νερό	el
dc.contributor.department	Τομέας Ι: Χημικών Επιστημών	el
heal.type	doctoralThesis
heal.secondaryTitle	Σύνθεση και χαρακτηρισμός καινοτόμων νανοδομημένων υλικών τιτανίας για φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση ρύπων στο νερό	el
heal.classification	ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΥΛΙΚΩΝ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/840868f9d668cd136ec6f074902084034906c943
heal.dateAvailable	2020-04-07T21:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-11-27
heal.abstract	Ο βασικός στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η ανάπτυξη φωτοενεργών ημιαγωγών με διευρυμένο φάσμα απορρόφησης, οι οποίοι να είναι ικανοί να αποικοδομήσουν ρύπους στο νερό κατά το φωτισμό με ακτινοβολία κατάλληλου μήκους κύματος μέσω του μηχανισμού της ετερογενούς φωτοκατάλυσης. Καθώς όμως η χρήση του ημιαγωγού υπό τη μορφή εναιωρήματος νανοσωματιδιακής σκόνης εισάγει τεχνικούς περιορισμούς στην απορρύπανση υγρών αποβλήτων σε πραγματικές συνθήκες, αναζητήθηκαν κατάλληλες δομές υψηλής αποδοτικότητας που θα επιτρέψουν μελλοντικά την ενσωμάτωσή τους στις τεχνολογίες απορρύπανσης. Με γνώμονα τα παραπάνω, η ερευνητική εργασία προσανατολίστηκε στην παρασκευή και το χαρακτηρισμό καινοτόμων ακινητοποιημένων νανοϋλικών του ημιαγωγού διοξειδίου του τιτανίου (ή τιτανία – TiO2). Βαρύτητα δόθηκε στην κατανόηση των μηχανισμών σύνθεσης νανοδομών τιτανίας σε μορφολογία καλά ευθυγραμμισμένων νανοσωλήνων ή φωτονικών κρυστάλλων με δομή αντίστροφου οπαλίου σε συνδυασμό με την διεύρυνση της οπτικής απορρόφησης του ημιαγωγού στο ορατό φάσμα της ηλιακής ακτινοβολίας. Επιπλέον, αξιολογήθηκε η ενίσχυση της φωτοκαταλυτικής δράσης των νέων υλικών με τη μελέτη της πορείας αποικοδόμησης, σε εργαστηριακή κλίμακα, υδατικών ρύπων αυξημένου ενδιαφέροντος, όπως του αζωχρώματος κυανού του μεθυλενίου, της νευροδιεγερτικής ουσίας καφεΐνης, της φαρμακευτικής ουσίας σαλικυλικού οξέος και του βιομηχανικού ρύπου εξασθενούς χρωμίου. Η παρασκευή των νανοσωλήνων τιτανίας βασίστηκε στην ηλεκτροχημική τεχνική της ανοδικής οξείδωσης ενός μεταλλικού φύλλου τιτανίου, μέσω της οποίας λαμβάνονται τελικώς καλά ευθυγραμμισμένοι και κάθετα προσανατολισμένοι στο μεταλλικό υπόστρωμα νανοσωλήνες. Με ελεγχόμενη μεταβολή της σύστασης του λουτρού ανοδίωσης, της τιμής και του χρόνου επιβολής της πυκνότητας ρεύματος προσδιορίστηκαν πλήρως οι δυνατές συνθήκες ανοδίωσης που επηρεάζουν τη γεωμετρίας των νανοδομών, έτσι ώστε να είναι δυνατή η σύνθεση νανοσωλήνων με συγκεκριμένο μήκος ή/και πορώδες. Πειράματα φωτοκατάλυσης με διαφορετικούς ρύπους πιστοποίησαν τους νανοσωλήνες τιτανίας μήκους 10 μm ως τις νανοδομές βέλτιστης γεωμετρίας, με την περεταίρω αύξηση του μήκους να οδηγεί σε κορεσμό της απόδοσης. Οι νανοσωλήνες των 10 μm παραμένουν φωτοκαταλυτικά ενεργοί χωρίς μείωση της απόδοσής τους σε δέκα διαδοχικούς φωτοκαταλυτικούς κύκλους, επιτυγχάνοντας πλήρη απομάκρυνση του οργανικού φορτίου (ανοργανοποίηση). Στη συνέχεια, μελετήθηκε η επίδραση της μεταβολής του pH του υδατικού μέσου στις φωτοκαταλυτικές διεργασίες. Τέλος, πραγματοποιήθηκε αυτο-φωτοενεργοποίηση των νανοσωλήνων τιτανίας στο ορατό φως μέσω της εισαγωγής κρυσταλλικών ατελειών στο πλέγμα του ημιαγωγού με ηλεκτροχημικές μεθόδους ή με θερμική επεξεργασία στο κενό, χωρίς να προκληθούν μορφολογικές αλλοιώσεις. Στη συνέχεια μελετήθηκαν ως εναλλακτικοί φωτοκαταλύτες στο ορατό φωτονικοί κρύσταλλοι τιτανίας σε δομή αντίστροφου οπαλίου, οι οποίοι ήταν ακινητοποιήμένοι σε ένα γυάλινο υπόστρωμα. Η παρασκευή των φωτονικών κρυστάλλων τιτανίας βασίστηκε στην πλήρωση μίας πολυμερικής μήτρας μικροσφαιριδίων πολυστυρενίου διαμέτρου 350 nm, διατεταγμένων σε περιοδικό εδροκεντρωμένο κυβικό πλέγμα (μορφή οπαλίου), με πρόδρομα διαλύματα του ημιαγωγού. Η επιλογή των συγκεκριμένων μικροσφαιριδίων όρισε την περιοδικότητα της τελικής νανοδομής της τιτανίας και εξηγεί την ύπαρξη του φωτονικού διάκενου στο φάσμα απορρόφησης του ημιαγωγού από τα 400 έως 500 nm. Τα πειράματα αυτό-αποικοδόμησης της προσροφημένης χρωστικής του κυανού του μεθυλενίου στην επιφάνεια του φωτονικού κρυστάλλου ανέδειξαν ότι νανοδομές ανάστροφου οπαλίου με φωτοενεργή τιτανία στο εύρος του φωτονικού διάκενου παρουσιάζουν ενισχυμένη οπτική απορρόφηση στα αντίστοιχα μήκη κύματος και κατ’ επέκταση αναμένεται να έχουν ισχυρότερη φωτοκαταλυτική δράση στο ορατό. Έχοντας υπόψη τα παραπάνω, επιλέχθηκε αρχικά η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νανοσωματιδιακής σκόνης τιτανίας με την τεχνική λύματος – πηκτής, τροποποιημένης με άζωτο και χαλκό σε διάφορες αναλογίες για να χρησιμοποιηθεί ως υλικό πλήρωσης των φωτονικών κρυστάλλων. Οι συντεθειμένες νανοδομές αποτελούνταν κυρίως από την κρυσταλλική φάση του ανατάση και οι οποίες καλύπτονταν επιφανειακά από ένα πλούσιο σε ενώσεις αζώτου ανθρακικό κέλυφος και καλά διασκορπισμένα οξείδια χαλκού. Η ύπαρξη των επιφανειακών σχηματισμών διεύρυνε την οπτική απορρόφηση της τροποποιημένης τιτανίας έως τα 500 nm περίπου και αύξησε την φωτοαποικοδόμηση των μελετώμενων ρύπων της καφεΐνης, του σαλικυλικού οξέος και του εξασθενούς χρωμίου.	el
heal.advisorName	Μπουρουσιάν, Μιρτάτ	el
heal.committeeMemberName	Καραγιάννη, Χάιδω-Στεφανία	el
heal.committeeMemberName	Κόντος, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Λοΐζος, Ζαφείρης	el
heal.committeeMemberName	Λυκοδήμος, Βλάσιος	el
heal.committeeMemberName	Μπουρουσιάν, Μιρτάτ	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Φαλάρας, Πολύκαρπος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	190
heal.fullTextAvailability	true