Ανάπτυξη σύνθετων νανοδομημένων πλεγμάτων Cu/CeO2 για τη φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού προς παραγωγή οξυγόνου

 
This item is provided by the institution :
University of Crete
Repository :
E-Locus Institutional Repository
see the original item page
in the repository's web site and access all digital files if the item*
share



2015 (EN)
Ανάπτυξη σύνθετων νανοδομημένων πλεγμάτων Cu/CeO2 για τη φωτοκαταλυτική διάσπαση του νερού προς παραγωγή οξυγόνου

Μαρκουλάκη, Βασιλική

Μήλιος, Κωνσταντίνος
Αρματάς, Γεράσιμος
Λυκάκης, Ιωάννης

Porous cerium-rich metal oxide materials have recently emerged as promising candidates for photocatalytic oxygen evolution reaction (OER). The high catalytic activity of such materials could be attributed to the nanoscale structure, large internal surface area and, most importantly, the ability to adsorb and desorb molecular oxygen into the crystal lattice. As a result, oxygen cavities can be formed which play a significant role in catalytic processes. In this thesis work we report the synthesis of ordered mesoporous CeO2 and Cu/CeO2 composite frameworks with different content of CuO and demonstrate their activity for photocatalytic O2 production via UV–vis light-driven oxidation of water. Mesoporous Cu/CeO2 have been successfully prepared by a nanocasting route, using mesoporous silica (SBA-15) as a rigid template. Two different synthetic pathways were used to obtain porous Cu/CeO2 composites: the first one involved the presence of moisture in the silica template, and in the second pathway, the silica template was dried at elevated temperature (150o C). X-ray diffraction (XRD), electron transition microscopy (TEM) and N2 porosimetry analyses revealed that as-prepared samples have a mesoporous structure composed of parallel arranged nanorods, with high surface area and narrow pore size distribution. Interestingly, we found that in the absence of moisture (within the silica pores), the present method gives porous Cu/CeO2 composites with improved textural characteristics (surface area and pore volume). The molecular structure and optical properties of composite frameworks were investigated with Raman and UV–vis/NIR diffuse reflectance spectroscopy. Catalytic results indicated that incorporation of CuO clusters in the CeO2 lattice improved the photochemical properties. As a result, the Cu/CeO2 mesoporous catalyst containing ~38 wt% of CuO loading reach a high O2 evolution rate of ~19.6 μmol h-1 (or 392 μmol h-1 g-1) with an apparent quantum efficiency of 17.6% at  = 365 ± 10 nm, which compares favorable with that obtained from non-porous Cu/CeO2 counterpart and pure mesoporous CeO2. (EL)
Τα εμπλουτισμένα με δημήτριο (Ce) οξείδια μετάλλων είναι υλικά πολλά υποσχόμενα σε αντιδράσεις φωτοκαταλυτικής διάσπασης του νερού προς παραγωγή οξυγόνου. Η υψηλή καταλυτική δραστικότητα αυτών των υλικών οφείλεται κυρίως στη νανοδιάστατη δομή και στην υψηλή επιφάνεια που κατέχουν, αλλά κυρίως και στη μοναδική ικανότητά τους να προσροφούν/εκροφούν οξυγόνο στο πλέγμα τους, σχηματίζοντας κενότητες οξυγόνου, οι οποίες αποτελούν ενεργά κέντρα για αντιδράσεις κατάλυσης. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η σύνθεση του μεσοπορώδους CeO2 και των σύνθετων υλικών Cu/CeO2 με διαφορετική περιεκτικότητα σε CuO, και αποτιμάται η καταλυτική τους δράση στη φωτοκαταλυτική οξείδωση του νερού προς παραγωγή οξυγόνου. Τα σύνθετα μεσοπορώδη υλικά Cu/CeO2 παρασκευάσθηκαν μέσω της διαδικασίας νανοχύτευσης (nanocasting), χρησιμοποιώντας εξαγωνική μεσοπορώδη πυριτία (SBA-15) ως σκληρό εκμαγείο. Προκειμένου να συνθέσουμε τα υλικά αυτά χρησιμοποιήθηκαν δύο συνθετικά μονοπάτια, παρουσία ή απουσία υγρασίας στο πυριτικό εκμαγείο. Πειράματα περίθλασης ακτίνων-Χ (XRD), ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (ΤΕΜ) και ποροσιμετρίας N2 απέδειξαν ότι τα παρασκευασθέντα υλικά εμφανίζουν οργανωμένη δομή αποτελούμενη από παράλληλα διατεταγμένες νανοράβδους, υψηλή ειδική επιφάνεια και στενή κατανομή μεγέθους πόρων. Τα υλικά που συντέθηκαν παρουσία υγρασίας εμφάνισαν υψηλότερη ειδική επιφάνεια και όγκο πόρων από αυτά που συντέθηκαν υπό την απουσία υγρασίας. Η μοριακή δομή και οι οπτικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών μελετήθηκαν με φασματοσκοπία Raman και UV–vis/NIR. Καταλυτικές μελέτες έδειξαν ότι η ενσωμάτωση σωματιδίων CuO στο πλέγμα του CeO2 μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τις φωτοχημικές ιδιότητες του υλικού. Έτσι, ο καταλύτης που περιέχει ~38 wt% περιεκτικότητα σε CuO εμφάνισε υψηλή φωτοκαταλυτική δραστικότητα, δίνοντας ένα μέσο ρυθμό παραγωγής οξυγόνου ~19.6 μmol h-1 (ή 392 μmol h-1 g-1), με κβαντική απόδοση 17.6% σε μήκος κύματος 365 ± 10 nm, κάτω από ακτινοβολία ορατού-υπεριώδους (λ > 360 nm). Η δραστικότητα δε αυτού του υλικού ήταν σημαντικά υψηλότερη από αυτή του ανάλογου μακροσκοπικού στερεού (38% CuO/CeO2) και του μεσοπορώδους CeO2 (EN)

text

Mixed metal oxides
Οξείδια μετάλλων
Νανοσύνθεση
Nanocasting
Φωτο-οξείδωση νερού
Water photo-oxidation

Πανεπιστήμιο Κρήτης (EL)
University of Crete (EN)

2015-11-20




*Institutions are responsible for keeping their URLs functional (digital file, item page in repository site)