Σύνθεση και μελέτη νανοϋβριδικών υλικών άνθρακα για περιβαλλοντικές εφαρμογές

Ζούρου, Αδαμαντία

dc.contributor.author	Ζούρου, Αδαμαντία
dc.date.accessioned	2025-09-22T09:53:04Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/62523
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.30219
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	νανοϋλικά άνθρακα	el
dc.subject	φερρίτης σπινελικής δομής	el
dc.subject	νανοϋβριδικά υλικά	el
dc.subject	εξυγίανση υδάτων	el
dc.subject	προσρόφηση	el
dc.title	Σύνθεση και μελέτη νανοϋβριδικών υλικών άνθρακα για περιβαλλοντικές εφαρμογές	el
dc.title	Synthesis and study of carbon-based nanohybrid materials for environmental applications	en
dc.contributor.department	Χημικών Επιστημών-Εργαστήριο Ανόργανης & Αναλυτικής Χημείας	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Νανοϋλικά Άνθρακα	el
heal.classification	Περιβάλλον	el
heal.dateAvailable	2026-09-21T21:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2025-09-01
heal.abstract	Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η σύνθεση και ο χαρακτηρισμός νανοϋβριδικών υλικών με βάση τον άνθρακα με σκοπό τη χρήση τους σε περιβαλλοντικές εφαρμογές. Τα νανοϋλικά άνθρακα διακρίνονται για τις αξιοσημείωτες φυσικοχημικές τους ιδιότητες, οι οποίες τα καθιστούν ιδανικά στον τομέα της εξυγίανσης των υδάτων, ενώ ο συνδυασμός τους με μαγνητικά νανοσωματίδια αποσκοπεί στην εύκολη απομάκρυνσή τους από το υδατικό περιβάλλον μετά την εφαρμογή με τη βοήθεια ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Το πρώτο μέρος της διδακτορικής διατριβής περιλαμβάνει την παρουσίαση του θεωρητικού πλαισίου της μελέτης με σκοπό την εξοικείωση του αναγνώστη με το γνωστικό αντικείμενο. Στο Κεφάλαιο 1, παρουσιάζεται η ρύπανση των υδάτων, ένα από τα πλέον σημαντικά περιβαλλοντικά ζητήματα του 21ου αιώνα, με δυσμενείς επιπτώσεις για το οικοσύστημα και την ανθρώπινη υγεία. Με έμφαση στους οργανικούς ρύπους, παρατίθενται οι κυριότερες ενώσεις που απαντώνται στα ύδατα, ενώ πραγματοποιείται ενδεικτική αναφορά σε περιπτώσεις περιβαλλοντικής ρύπανσης ανά τον κόσμο. Παράλληλα, παρουσιάζονται οι σημαντικότεροι τρόποι αντιμετώπισης της ρύπανσης των υδάτων, παραθέτοντας μία σειρά από φυσικές, χημικές και βιολογικές διεργασίες. Μεταξύ αυτών συγκαταλέγεται η προσρόφηση, μία απλή, αποτελεσματική και χαμηλού κόστους διαδικασία απομάκρυνσης των οργανικών ρύπων από το υδατικό περιβάλλον, η οποία μάλιστα θα αποτελέσει και αντικείμενο του πειραματικού μέρους της μελέτης. Πρόκειται για ένα επιφανειακό φαινόμενο, κατά το οποίο μόρια της προσροφημένης ουσίας συσσωρεύονται μέσω φυσικών ή/και χημικών αλληλεπιδράσεων στην επιφάνεια ενός στερεού, το οποίο καλείται προσροφητικό μέσο. Η προσρόφηση εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά της προσροφημένης ουσίας και του προσροφητικού μέσου, αλλά και το pH του διαλύματος και η θερμοκρασία. Είναι γνωστό ότι κατά καιρούς έχουν χρησιμοποιηθεί διάφορα υλικά στην εξυγίανση των υδάτων, όπως ο ενεργός άνθρακας, οι φυσικοί ζεόλιθοι, η χιτοζάνη, κλπ. Ωστόσο, τα τελευταία χρόνια παρατηρείται έντονο ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας γύρω από τα νανοϋλικά άνθρακα λόγω των μοναδικών τους ιδιοτήτων, καθώς και τον συνδυασμό τους με μαγνητικά νανοσωματίδια στοχεύοντας στην ανάπτυξη καινοτόμων νανοϋβριδικών υλικών. Ακολούθως, στο Κεφάλαιο 2 παρουσιάζονται οι κατηγορίες των νανοϋλικών άνθρακα (2-D, 1-D, 0-D), με βάση τις διαστάσεις τους στη νανοκλίμακα καθώς και οι μέθοδοι σύνθεσής τους. Ανάμεσα στα 2-D νανοϋλικά άνθρακα, το γραφένιο έχει πρωταγωνιστικό ρόλο καθώς αποτελεί τη δομική μονάδα όλων των γραφιτικών υλικών, ανεξαρτήτου διάστασης. Πρόκειται για ένα απομονωμένο φύλλο γραφίτη μονοατομικού πάχους, στο οποίο τα sp2 υβριδισμένα άτομα άνθρακα είναι διατεταγμένα σε εξαγωνική δομή. Από την άλλη πλευρά, στο οξείδιο του γραφενίου (GO), παράγωγο του γραφενίου, ένα μεγάλο τμήμα της sp2 υβριδισμένης κατάστασης μετατρέπεται σε sp3 λόγω της εισαγωγής οξυγονούχων ομάδων στο γραφενικό πλέγμα, επηρεάζοντας τον αρωματικό χαρακτήρα του τελευταίου. Το GO θα αποτελέσει σημαντικό κομμάτι κατά το πειραματικό στάδιο της διδακτορικής διατριβής καθώς λόγω των μοναδικών φυσικοχημικών του ιδιοτήτων καθίσταται ιδανικό για την εφαρμογή του ως προσροφητικό μέσο. Το ίδιο θα συμβεί και με τις τελείες άνθρακα (CDs), οι οποίες ανήκουν στην κατηγορία των 0-D νανοϋλικών άνθρακα, αφού η πλούσια σε λειτουργικές ομάδες επιφάνειά τους, η χαμηλή ή/και καθόλου τοξικότητά τους, αλλά και το ελάχιστο κόστος παραγωγής είναι μερικές από τις ιδιότητες που τις καθιστούν ελκυστικές για την εφαρμογή τους στην εξυγίανση υδάτων. Παρ’ όλα αυτά, τόσο το GO όσο και οι CDs δεν είναι εύκολο να απομακρυνθούν από το νερό μετά τη χρήση τους. Για τον λόγο αυτό, ο συνδυασμός τους με μαγνητικά νανοσωματίδια αποτελεί μία πολλά υποσχόμενη προσέγγιση, καθώς επιτρέπει την εύκολη απομάκρυνσή τους από το υδατικό μέσο, μέσω εφαρμογής εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Έτσι, στην ίδια ενότητα πραγματοποιείται μία εισαγωγή αρχικά στις μαγνητικές ιδιότητες της ύλης και εν συνεχεία στους φερρίτες και τις μεθόδους σύνθεσής τους. Οι φερρίτες είναι μαγνητικά κεραμικά υλικά και εμφανίζουν τις κρυσταλλικές δομές του σπινελίου, του γρανάτη, του εξαφερρίτη και του ορθοφερρίτη. Από τις πλέον σημαντικές είναι η δομή σπινελίου, η οποία έχει πάρει το όνομά της από το ορυκτό σπινέλιο (MgAl2O4) και έχει γενικό χημικό τύπο MFe2O4, όπου Μ αναπαριστά ένα δισθενές μεταλλικό κατιόν. Οι φερρίτες σπινελίου συναντώνται σε πληθώρα εφαρμογών, όπως η κατάλυση/φωτοκατάλυση, η βιοϊατρική, οι αισθητήρες, οι μαγνητικές συσκευές αλλά και η εξυγίανση των υδάτων. Πρόσφατες επιστημονικές μελέτες παρουσιάζουν τους διάφορους τρόπους σύνθεσης των υβριδικών δομών νανοϋλικών άνθρακα-φερριτών, οι οποίοι διακρίνονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες: i. τις μεθόδους ex situ, οι οποίες συνίστανται στην απλή ανάμιξη των επιμέρους συστατικών υπό κατάλληλες συνθήκες και ii. τις μεθόδους in situ, οι οποίες περιλαμβάνουν την αυτοσυναρμολόγηση ενός συστατικού παρουσία του άλλου ή ακόμα και την ταυτόχρονη ανάπτυξή τους. Οι μελέτες αυτές διερευνούν την εφαρμογή των ανωτέρω υλικών στην απομάκρυνση πληθώρας οργανικών ρύπων από το νερό, με τα αποτελέσματα που προκύπτουν να είναι ιδιαιτέρως ενθαρρυντικά. Συνοψίζοντας τα παραπάνω παραδείγματα γίνεται πλέον σαφές ότι στον σύγχρονο κόσμο, η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας και η ανάγκη για νέες εφαρμογές έχουν δημιουργήσει τεράστια ζήτηση για καινοτόμα υλικά με προηγμένες ιδιότητες, γεγονός που έχει οδηγήσει στην εντυπωσιακή ανάπτυξη της επιστήμης των υλικών. Με σκοπό την συνεισφορά στην πρόοδο της επιστήμης των υλικών αλλά και της προστασίας του περιβάλλοντος και του ανθρώπου, η συγκεκριμένη διδακτορική διατριβή μελετάει την ανάπτυξη των καινοτόμων νανοϋβριδικών υλικών GO-CuFe2O4, CDs-CuFe2O4 και GO-CDs-CuFe2O4, τον χαρακτηρισμό τους μέσω πληθώρας τεχνικών και την ικανότητά τους στην απομάκρυνσης της αζωχρωστικής ένωσης Congo Red από το νερό. Το δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής περιλαμβάνει τις πειραματικές διαδικασίες που ακολουθήθηκαν και την παρουσίαση των αποτελεσμάτων. Το Κεφάλαιο 3 πραγματεύεται τη σύνθεση και τον χαρακτηρισμό των νανοϋλικών άνθρακα. Αρχικά, το GO συντίθεται μέσω της τροποποιημένης μεθόδου Hummers, κατά την οποία λαμβάνει χώρα η ταυτόχρονη απομόνωση και οξείδωση φύλλων γραφίτη μέσω του ισχυρού οξειδωτικού μίγματος H2SO4/KMnO4. Πρόκειται για μία σειρά χημικών αντιδράσεων, οι οποίες σταδιακά εισάγουν στο πλέγμα και στα άκρα των φύλλων του γραφίτη οξυγονούχες ομάδες, οι οποίες έχουν ως αποτέλεσμα την περαιτέρω αποφλοίωσή του, σε συνδυασμό με την ακόλουθη κατεργασία σε λουτρό υπερήχων. Ακολούθως, το τελικό προϊόν του GO υπόκειται σε περαιτέρω χημική επεξεργασία, με σκοπό την μετατροπή μέρους των υδροξυλ-ομάδων και των εποξυ-ομάδων σε καρβοξυλ-ομάδες. Η καρβοξυλίωση στοχεύει στην αύξηση της χημικής δραστικότητας του GO, αλλά και της χημικής ομοιομορφίας στην επιφάνειά του. Μέσα από μία σειρά από τεχνικές χαρακτηρισμού (XRD, micro-Raman, FT-IR, UV-Vis, TGA, HR-TEM και ποροσιμετρία N2) μελετώνται τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά του GO, επιβεβαιώνοντας την επιτυχή οξείδωση του γραφίτη αλλά και την καρβοξυλίωση του GO. Ομοίως, παρουσιάζεται η σύνθεση των CDs μέσω της διαλυτοθερμικής κατεργασίας χρησιμοποιώντας ως πρόδρομες ενώσεις το κιτρικό οξύ και την ουρία, καθώς και η μελέτη των τελικών τους ιδιοτήτων μέσω των μεθόδων χαρακτηρισμού FT-IR, UV-Vis, PL και ΤΕΜ. Στο Κεφάλαιο 4 περιγράφεται η πειραματική διαδικασία σύνθεσης των μαγνητικών νανοσωματιδίων CuFe2O4 μέσω της διαλυτοθερμικής μεθόδου. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τον χαρακτηρισμό τους χρησιμοποιούνται όχι μόνο για την κατανόηση της δομής και των ιδιοτήτων τους, αλλά και ως αναφορά για τη σύγκριση και την αξιολόγηση στις ακόλουθες ενότητες οι οποίες μελετούν τον συνδυασμό των CuFe2O4 με τα νανοϋλικά άνθρακα. Αρχικά, στο Κεφάλαιο 5 μελετάται η ανάπτυξη των νανοϋβριδικών υλικών GO-CuFe2O4, η οποία περιλαμβάνει την τροποποίηση του καρβοξυλιωμένου GO με τις επιφανειοδραστικές ενώσεις CTAB και PSS και εν συνεχεία τον in situ σχηματισμό των νανοσωματιδίων στην επιφάνειά του, μέσω διαλυτοθερμικής κατεργασίας. Ο επιτυχής συνδυασμός των δύο συστατικών επιβεβαιώνεται μέσω της ανάλυσης του τελικού προϊόντος με διάφορες μεθόδους χαρακτηρισμού. Χαρακτηριστικό είναι το γεγονός ότι ο σχηματισμός των μαγνητικών νανοσωματιδίων μεταξύ των φύλλων του GO έχει ως αποτέλεσμα την περαιτέρω αποφλοίωση του δείγματος, όπως διαπιστώνεται μέσω της ανάλυσης XRD, αλλά και micro-Raman. Αντίστοιχα, μέσω της φασματοσκοπίας FT-IR γίνεται ταυτοποίηση των χημικών δεσμών που οφείλονται στο γραφενικό πλέγμα, αλλά και στην παρουσία μετάλλων, ενώ η θερμοβαρυμετρική ανάλυση σε ατμόσφαιρα αέρα υποδεικνύει την βελτίωση της θερμικής συμπεριφοράς λόγω της ενσωμάτωσης του CuFe2O4 στην τελική δομή. Επίσης, μέσω της μορφολογικής μελέτης με FE-SEM και HR-TEM εντοπίζονται σφαιρικού σχήματος νανοσωματίδια με καλή διασπορά στην επιφάνεια του γραφενικού φύλλου. Όπως είναι αναμενόμενο, μέσω της μεθόδου BET υπολογίζεται ότι η ειδική επιφάνεια του νανοϋβριδικού υλικού είναι μικρότερη από την αντίστοιχη του GO, λόγω μείωσης του ποσοστού των μη-κατειλημμένων θέσεων των πόρων. Μελετώντας τις μαγνητικές ιδιότητες μέσω SQUID παρατηρείται, επίσης, μείωση της μαγνήτισης κορεσμού συγκριτικά με τα νανοσωματίδια φερρίτη, γεγονός που οφείλεται στην παρουσία του άνθρακα στο δείγμα. Στην συνέχεια, ακολουθεί το Κεφάλαιο 6, στο οποίο μελετάται η σύνθεση των CDs-CuFe2O4 νανοϋβριδικών υλικών και η επίδραση της ποσότητας των CDs στα τελικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά τους. Ομοίως με την προηγούμενη κατηγορία νανοϋβριδικών υλικών, τα νανοσωματίδια CuFe2O4 σχηματίζονται in situ παρουσία των CDs, μέσω της διαλυτοθερμικής μεθόδου. Αντίστοιχα, ο χαρακτηρισμός των νανοϋβριδικών υλικών μέσω διαφόρων τεχνικών επιβεβαιώνει τον επιτυχή συνδυασμό των δύο συστατικών, ενώ η αύξηση της συγκέντρωσης των CDs στα δείγματα επηρεάζει τις τελικές ιδιότητές τους, μεταξύ των οποίων τα μορφολογικά χαρακτηριστικά. Η τελευταία κατηγορία νανοϋβριδικών υλικών περιλαμβάνει τον συνδυασμό των δύο διαφορετικών νανοϋλικών άνθρακα με τα νανοσωματίδια CuFe2O4, μία περίπτωση η οποία έως και σήμερα δεν έχει παρουσιαστεί στη διεθνή βιβλιογραφία. Έτσι, στο Κεφάλαιο 7 περιγράφεται η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε για τη σύνθεση των νανοϋβριδικών υλικών GO-CDs-CuFe2O4, μεταβάλλοντας την αρχική ποσότητα των CDs καθώς και ο χαρακτηρισμός τους μέσω των μεθόδων XRD, micro-Raman, FT-IR, TGA, HR-TEM, ποροσιμετρία N2 και SQUID. Για λόγους σύγκρισης παρουσιάζεται, επίσης, ο συνδυασμός των δύο νανοϋλικών άνθρακα GO-CDs, απουσία των μαγνητικών νανοσωματιδίων. Αξίζει να σημειωθεί ότι σφαιρικού σχήματος δομές αποτελούμενες από CDs και νανοσωματίδια CuFe2O4 έχουν σχηματιστεί στην επιφάνεια του GO, επιβεβαιώνοντας την επιτυχή διαλυτοθερμική σύνθεση. Από την άλλη πλευρά, το Κεφάλαιο 8 ασχολείται με την εφαρμογή των ανωτέρω νανοϋβριδικών υλικών στην απομάκρυνση της αζωχρωστικής ένωσης Congo Red από το νερό. Στο σημείο αυτό αξίζει να σημειωθεί ότι η παρουσία της συγκεκριμένης χρωστικής ένωσης στο περιβάλλον ελλοχεύει υψηλούς κινδύνους καθώς κάτω από αναερόβιες συνθήκες μπορεί να αποδομηθεί από συγκεκριμένους μικροοργανισμούς και βακτήρια με αποτέλεσμα τη διάσπαση της στην καρκινογόνο ουσία βενζιδίνη. Για τον λόγο αυτό η Ευρωπαϊκή Ένωση έχει θεσπίσει την Οδηγία 2002/61/ΕΚ, σύμφωνα με την οποία οι αζωχρωστικές ενώσεις, οι οποίες ενδέχεται να απελευθερώσουν μέσω αναγωγικής διάσπασης μίας ή περισσότερων αζωομάδων, μία σειρά από συγκεκριμένες αρωματικές αμίνες (σε συγκεντρώσεις άνω των 30 ppm), μεταξύ των οποίων και η βενζιδίνη, απαγορεύεται να χρησιμοποιούνται σε κλωστοϋφαντουργικά και δερμάτινα προϊόντα, τα οποία ενδέχεται να έρθουν σε άμεση και παρατεταμένη επαφή με το δέρμα ή τη στοματική κοιλότητα. Έτσι, στην παρούσα ενότητα παρατίθενται τα αποτελέσματα της ικανότητας απομάκρυνσης του Congo Red από το νερό, μέσω των προσροφητικών υλικών GO-CuFe2O4, CDs-CuFe2O4 και GO-CDs-CuFe2O4, υπό την επίδραση διαφόρων παραγόντων όπως η αρχική συγκέντρωση του ρύπου, ο χρόνος προσρόφησης και το pH, ενώ εξετάζεται η δυνατότητα επαναχρησιμοποίησής τους ως ένα κριτήριο οικονομικής βιωσιμότητας και πρακτικής εφαρμογής. Ο μηχανισμός της προσρόφησης κάθε συστήματος μελετάται, επίσης, μέσω της εφαρμογής των πειραματικών δεδομένων σε κατάλληλα μαθηματικά μοντέλα. Η διδακτορική διατριβή ολοκληρώνεται με το Κεφάλαιο 9, το οποίο περιλαμβάνει τα συμπεράσματα της έρευνας αλλά και προτάσεις για μελλοντική εργασία. Τέλος, στα Παραρτήματα Ι-IV που ακολουθούν ο αναγνώστης μπορεί να βρει βασικές πληροφορίες για τις μεθόδους χαρακτηρισμού, αλλά και αποτελέσματα που προέκυψαν από παρόμοιες ενδεικτικές μελέτες που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο στα πλαίσια της διδακτορικής έρευνας.	el
heal.abstract	The aim of the present doctoral thesis is the synthesis and characterization of carbon-based nanohybrid materials for environmental applications. Carbon-based nanomaterials are well-known for their remarkable physicochemical properties, which make them ideal adsorbents for water treatment, whereas their combination with magnetic nanoparticles enables their facile separation from the aqueous environment after utilization by means of an external magnetic field. The first part of the doctoral dissertation presents the theoretical framework of the study in order to familiarize the reader with the subject matter. Chapter 1 focuses on water pollution, one of the most significant environmental issues of the 21st century, with adverse effects on ecosystems and human health. Emphasis is placed on organic pollutants, listing the most common compounds found in water, while providing indicative examples of environmental pollution incidents around the world. In addition, the most important methods for addressing water pollution are presented, including various physical, chemical, and biological processes. Among them, adsorption, a simple, efficient and low-cost process for the removal of organic pollutants from the aquatic environment constitutes the subject of the experimental part of this study. Adsorption is a surface phenomenon where molecules of the adsorbate accumulate through physical and/or chemical interactions on the surface of a solid, referred to as the adsorbent. The process depends on various factors, such as the physicochemical characteristics of both the adsorbate and the adsorbent material, as well as the pH of the solution and temperature. Various materials have been used in water remediation, including activated carbon, natural zeolites, chitosan, etc. In recent years, the scientific community has shown increasing interest in carbon-based nanomaterials due to their exceptional physicochemical properties, as well as in their combination with magnetic nanoparticles, with the aim of developing novel nanohybrid materials. Moreover, Chapter 2 presents the classification of carbon-based nanomaterials (2-D, 1-D, 0-D), according to their dimensions at the nanoscale, along with their synthesis methods. Among 2-D carbon-based nanomaterials, graphene plays a key role, being the fundamental building block of all graphitic materials, regardless of dimensionality. It is a single atom thick monolayer of graphite in which sp2-hybridized carbon atoms are arranged in a hexagonal structure. Graphene oxide (GO) is a graphene derivative, where a large number of oxygen-containing functional groups is introduced into the graphene lattice, altering its aromatic character and converting a large fraction of sp2 hybridization into sp3. GO will be an important component in the experimental stage of this dissertation, as its unique physicochemical properties make it ideal for its utilization as an adsorbent material. Similarly, CDs, which belong to the category of 0-D carbon-based nanomaterials, will also be investigated since their surface rich in functional groups, non-toxicity and low-cost synthesis, make them attractive candidates for water remediation applications. Nevertheless, both GO and CDs are difficult to remove from water after use. Therefore, their combination with magnetic nanoparticles is a highly promising approach, as it enables their facile removal from the aqueous medium via an external magnet. An introduction to the magnetic properties of matter, followed by an overview of ferrites and their synthesis methods are also presented in the same chapter. More specifically, ferrites are magnetic ceramic materials that exhibit spinel, garnet, hexaferrite or orthoferrite crystalline structures. Among them, the most important is the spinel structure, named after the mineral spinel (MgAl2O4), with the general formula MFe2O4, where M represents a divalent metallic cation. Spinel ferrites find applications in catalysis/photocatalysis, biomedicine, sensors, magnetic devices and water remediation. Recent scientific studies describe various methods for synthesis of carbon-based nanomaterials-ferrite hybrid structures, which can be classified into two major categories: i. ex situ methods, consisting of simple mixing of the components under suitable conditions and ii. in situ methods, which involve self-assembly of one component in the presence of the other, or even simultaneous growth of both. The presented studies explore the application of such materials in removing a wide range of organic pollutants from water, with particularly encouraging results. To sum up, it becomes evident that in today’s world, the rapid advancement of technology and the demand for new applications have generated a tremendous need for innovative materials with advanced properties, leading to the impressive progress of materials science. Aiming to contribute both to the advancement of materials science and to the protection of the environment and human health, this doctoral thesis investigates the development of the innovative nanohybrid materials GO-CuFe2O4, CDs-CuFe2O4 and GO-CDs-CuFe2O4, their characterization using a wide range of techniques and their efficiency in the removal of the azo dye, Congo Red, from water. The second part of the thesis presents the experimental procedures followed and the obtained results. Chapter 3 discusses the synthesis and characterization of carbon-based nanomaterials. GO was synthesized via a modified Hummers method, which involves the simultaneous exfoliation and oxidation of graphite sheets by a strong oxidizing mixture of H2SO4/KMnO4. Through this sequence of chemical reactions, oxygen-containing groups are gradually incorporated into the lattice and edges of the graphite sheets, promoting further exfoliation, which is enhanced by subsequent ultrasonic treatment. The as-prepared GO undergoes further chemical treatment to convert part of the hydroxyl and epoxy-groups into carboxyl-groups. The carboxylation process aims to increase the chemical reactivity of GO and improve its surface chemical homogeneity. The physicochemical characteristics of GO were studied via several characterization techniques (XRD, micro-Raman, FT-IR, UV-Vis, TGA, HR-TEM, and N₂ porosimetry), confirming the successful processes of oxidation and carboxylation. Similarly, CDs were synthesized via a solvothermal method using citric acid and urea as precursors and their properties were studied using FT-IR, UV-Vis, PL and TEM analysis. Chapter 4 describes the synthesis of pristine CuFe2O4 nanoparticles via the solvothermal method. The characterization results were used not only to understand their structure and properties, but also as a reference for comparison and evaluation in the following sections investigating the combination of CuFe2O4 with carbon-based nanomaterials. Furthermore, Chapter 5 investigates the development of GO-CuFe2O4 nanohybrids, which involves the modification of carboxylated GO with the surfactants CTAB and PSS, followed by in situ formation of nanoparticles on its surface via solvothermal treatment. Characterization confirmed the successful combination of the two components. Notably, the formation of magnetic nanoparticles between the GO sheets resulted in further exfoliation, as observed by XRD and micro-Raman analyses. FT-IR spectroscopy identified chemical bonds originating from the graphene lattice, as well as from metal components, while thermogravimetric analysis in air indicated improved thermal stability due to CuFe2O4 incorporation. Morphological studies via FE-SEM and HR-TEM revealed well-dispersed spherical nanoparticles on the graphene sheet surface. As expected, BET measurements showed that the specific surface area of the nanohybrid material was lower in comparison with GO, due to the reduction in the proportion of unoccupied pore sites. Magnetic property analysis via SQUID also showed a decrease in saturation magnetization compared to ferrite nanoparticles, attributable to the carbon content. Moreover, Chapter 6 investigates the synthesis of CDs-CuFe2O4 nanohybrids and the effect of CDs’ concentration on their final physicochemical characteristics. Similarly to the synthesis of GO-CuFe2O4 nanohybrid, CuFe2O4 nanoparticles are formed in situ in the presence of CDs, via the solvothermal method. The characterization of the as-prepared materials confirmed the successful integration, whereas it was noticed that the increasing CDs concentration influenced several properties, including morphology. The final class of carbon-based nanohybrid materials examined in this study combines GO and CDs with CuFe2O4 nanoparticles-a case that, up to date, has not been reported in the international literature. Chapter 7 describes the synthesis of GO-CDs-CuFe2O4 nanohybrids, with varying initial CDs content, along with their characterization via XRD, micro-Raman, FT-IR, TGA, HR-TEM, N2 porosimetry and SQUID. For comparison purposes, the combination of GO-CDs in the absence of magnetic nanoparticles was also studied. It is worth mentioning that spherical structures composed of CDs and CuFe2O4 nanoparticles were observed on the GO surface, confirming the successful solvothermal synthesis. Chapter 8 focuses on the application of the as-synthesized nanohybrid materials in the removal of the azo dye Congo Red from water. Herein, it is important to note that the presence of Congo Red in the environment poses serious risks, as under anaerobic conditions it can be degraded by certain microorganisms and bacteria to the carcinogenic compound benzidine. For this reason, the European Union has issued Directive 2002/61/EU, which prohibits the use of azo dyes that may release, through reductive cleavage of one or more azo groups, certain aromatic amines (in concentrations higher than 30 ppm), including benzidine, in textile and leather products that may come into direct and prolonged contact with the skin or oral cavity. In this section, the removal efficiency of Congo Red dye using GO-CuFe2O4, CDs-CuFe2O4 and GO-CDs- CuFe2O4 was assessed under different conditions, including initial pollutant concentration, adsorption time and pH. The recyclability of the adsorbents was also examined, as it plays an important factor for the economic feasibility and practical application. Furthermore, the adsorption mechanism of each system is also investigated by fitting experimental data to various mathematical models. The doctoral thesis concludes with Chapter 9, which contains the research findings and proposals for future work. Finally, Appendices I-IV provide essential information on characterization methods, as well as, interesting results from similar indicative studies conducted in the laboratory as part of the doctoral research.	en
heal.advisorName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδου, Μαρία
heal.committeeMemberName	Αργυρούσης, Χρήστος
heal.committeeMemberName	Γεωργακίλας, Βασίλειος
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα
heal.committeeMemberName	Κορδάτος, Κωνσταντίνος
heal.committeeMemberName	Τσετσέκου, Αθηνά
heal.committeeMemberName	Χριστοφόρου, Ευάγγελος
heal.academicPublisher	Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	370
heal.fullTextAvailability	false