Diplomová práce se zabývá přípravou fotokatalyticky aktivních kompozitů na bázi grafenem a železem dopovaného TiO2, které jsou vhodné pro umělou fotosyntézu - výrobu "green" energie za pomoci umělého slunečního záření. Příprava spočívala v termální hydrolýze suspenze (Fe(NO3)3) v titanylsulfátu (TiOSO4) za přítomnosti peroxidu vodíku (H2O2). Tím vznikl vodný roztok, který byl lyofilizován při extrémně nízké teplotě (-64 °C) a tlaku (5-10 mTorr). Vzniklé prekurzory oxidu titaničitého (TiO2, TiO2Fe2% a TiO2Fe3%) byly poté žíhány při teplotách 80 °C, 100 °C, 150 °C, 200 °C, 250 °C, 300 °C, 350 °C, 400 °C a 800 °C po dobu tří hodin. V teplotním intervalu 80-200 °C vznikl amorfní hydratovaný TiO(OH)2.xH2O materiál. Fe dopovaný TiO2 nanokrystalický anatas ve formě tenkých lístečků byl izolován v intervalu 300-800 °C, který poté byl rozmíchán v izopropylalkoholu s grafenem a vysušen. U všech vzorků byla provedena detailní materiálová charakterizace, která měla za úkol popsat jejich fyzikální a chemické vlastnosti a strukturní parametry. Bylo prokázáno, že vzorky TiO2 dopované železem jsou nefotoaktivní a přidání grafenu k oxidu titaničitému naopak mírně jeho fotoaktivitu zvyšuje. Tyto skutečnosti mohou mít velký význam při cestě za objevem ideální látky pro ekologickou výrobu vodíku z vody, nebo v dalších aplikacích oxidu titaničitého.
Anotace v angličtině
The thesis deals with the preparation of photocatalytically active composites based on graphene and iron-doped TiO2, which are suitable for artificial photosynthesis - the production of "green" energy using artificial solar radiation. The preparation consisted of thermal hydrolysis of a suspension of (Fe(NO3)3) in titanyl sulfate (TiOSO4) in the presence of hydrogen peroxide (H2O2). This produced an aqueous solution which was lyophilized at extremely low temperature (-64 °C) and pressure (5-10 mTorr). The resulting titanium dioxide precursors (TiO2, TiO2Fe2% a TiO2Fe3%) were then annealed at 80 °C, 100 °C, 150 °C, 200 °C, 250 °C, 300 °C, 350 °C, 400 °C and 800 °C for three hours. An amorphous hydrated TiO(OH)2.xH2O material was formed in the temperature range of 80-200 °C. Fe-doped TiO2 nanocrystalline anatase in the form of thin flakes was isolated in the interval of 300-800 °C, which was then dissolved in isopropyl alcohol with graphene and then dried. Detailed material characterization was performed on all samples to describe their physical and chemical properties and structural parameters. It was shown that the iron-doped TiO2 samples are non-photoactive and, on the contrary, the addition of graphene to titanium dioxide slightly increases its photoactivity. These facts may be of great importance in the quest for the discovery of an ideal substance for the environmentally friendly production of hydrogen from water, or in other applications of titanium dioxide.
titanium dioxide, lyophilisation, microstrukture, graphene, iron doping
Rozsah průvodní práce
62
Jazyk
CZ
Anotace
Diplomová práce se zabývá přípravou fotokatalyticky aktivních kompozitů na bázi grafenem a železem dopovaného TiO2, které jsou vhodné pro umělou fotosyntézu - výrobu "green" energie za pomoci umělého slunečního záření. Příprava spočívala v termální hydrolýze suspenze (Fe(NO3)3) v titanylsulfátu (TiOSO4) za přítomnosti peroxidu vodíku (H2O2). Tím vznikl vodný roztok, který byl lyofilizován při extrémně nízké teplotě (-64 °C) a tlaku (5-10 mTorr). Vzniklé prekurzory oxidu titaničitého (TiO2, TiO2Fe2% a TiO2Fe3%) byly poté žíhány při teplotách 80 °C, 100 °C, 150 °C, 200 °C, 250 °C, 300 °C, 350 °C, 400 °C a 800 °C po dobu tří hodin. V teplotním intervalu 80-200 °C vznikl amorfní hydratovaný TiO(OH)2.xH2O materiál. Fe dopovaný TiO2 nanokrystalický anatas ve formě tenkých lístečků byl izolován v intervalu 300-800 °C, který poté byl rozmíchán v izopropylalkoholu s grafenem a vysušen. U všech vzorků byla provedena detailní materiálová charakterizace, která měla za úkol popsat jejich fyzikální a chemické vlastnosti a strukturní parametry. Bylo prokázáno, že vzorky TiO2 dopované železem jsou nefotoaktivní a přidání grafenu k oxidu titaničitému naopak mírně jeho fotoaktivitu zvyšuje. Tyto skutečnosti mohou mít velký význam při cestě za objevem ideální látky pro ekologickou výrobu vodíku z vody, nebo v dalších aplikacích oxidu titaničitého.
Anotace v angličtině
The thesis deals with the preparation of photocatalytically active composites based on graphene and iron-doped TiO2, which are suitable for artificial photosynthesis - the production of "green" energy using artificial solar radiation. The preparation consisted of thermal hydrolysis of a suspension of (Fe(NO3)3) in titanyl sulfate (TiOSO4) in the presence of hydrogen peroxide (H2O2). This produced an aqueous solution which was lyophilized at extremely low temperature (-64 °C) and pressure (5-10 mTorr). The resulting titanium dioxide precursors (TiO2, TiO2Fe2% a TiO2Fe3%) were then annealed at 80 °C, 100 °C, 150 °C, 200 °C, 250 °C, 300 °C, 350 °C, 400 °C and 800 °C for three hours. An amorphous hydrated TiO(OH)2.xH2O material was formed in the temperature range of 80-200 °C. Fe-doped TiO2 nanocrystalline anatase in the form of thin flakes was isolated in the interval of 300-800 °C, which was then dissolved in isopropyl alcohol with graphene and then dried. Detailed material characterization was performed on all samples to describe their physical and chemical properties and structural parameters. It was shown that the iron-doped TiO2 samples are non-photoactive and, on the contrary, the addition of graphene to titanium dioxide slightly increases its photoactivity. These facts may be of great importance in the quest for the discovery of an ideal substance for the environmentally friendly production of hydrogen from water, or in other applications of titanium dioxide.
titanium dioxide, lyophilisation, microstrukture, graphene, iron doping
Zásady pro vypracování
1. Úvod
2. Literární rešerše (fotokatalytická aktivita kompozitu na bázi grafen (GRA) a Fe@TiO2, termické stability kompozitu GRA@Fe@TiO2, analytické metody charakterizace mikrostruktury připraveních kompozitu (X-ray prášková difrakce, transmisní a skenovací elektronové mikroskopie, Romanová a ultrafialové viditelné spektroskopie, Mössbauerova spektroskopie), využití GRA@Fe@TiO2 kompozitu jako katalyzátory pro PEC štěpení H2O.
3. Cíl Práce
3.1 Syntéza Fe dopovaného 2DTiO2 (anatas)
3.1.1 Příprava 2D-TiIV-lyofilizovaného prekurzoru [2DTiIV(O2)OH] pomocí kryo-lyofilizační techniky.
3.1.2 Tepelné zpracování prekurzoru [2DTiIV(O2)OH] při teplotě 80-500 °C pro přípravu 2DTiO2.anatasu.
3.1.3 Příprava Fe dopovaného 2DTiO2 (anatas) s různé koncentraci dopantu
3.2 Příprava multivrstevnatého kompozitu na bází GRA@Fe@TiO2 procesem tepelné zpracování komponentů GRA a Fe@TiO2 při různých teplotách.
5. Aplikace GRA@Fe@TiO2 kompozitu jako katalyzátory pro PEC štěpeni H2O.
6. Vyhodnocení výsledků a diskuze
7. Závěr
Zásady pro vypracování
1. Úvod
2. Literární rešerše (fotokatalytická aktivita kompozitu na bázi grafen (GRA) a Fe@TiO2, termické stability kompozitu GRA@Fe@TiO2, analytické metody charakterizace mikrostruktury připraveních kompozitu (X-ray prášková difrakce, transmisní a skenovací elektronové mikroskopie, Romanová a ultrafialové viditelné spektroskopie, Mössbauerova spektroskopie), využití GRA@Fe@TiO2 kompozitu jako katalyzátory pro PEC štěpení H2O.
3. Cíl Práce
3.1 Syntéza Fe dopovaného 2DTiO2 (anatas)
3.1.1 Příprava 2D-TiIV-lyofilizovaného prekurzoru [2DTiIV(O2)OH] pomocí kryo-lyofilizační techniky.
3.1.2 Tepelné zpracování prekurzoru [2DTiIV(O2)OH] při teplotě 80-500 °C pro přípravu 2DTiO2.anatasu.
3.1.3 Příprava Fe dopovaného 2DTiO2 (anatas) s různé koncentraci dopantu
3.2 Příprava multivrstevnatého kompozitu na bází GRA@Fe@TiO2 procesem tepelné zpracování komponentů GRA a Fe@TiO2 při různých teplotách.
5. Aplikace GRA@Fe@TiO2 kompozitu jako katalyzátory pro PEC štěpeni H2O.
6. Vyhodnocení výsledků a diskuze
7. Závěr
Seznam doporučené literatury
1. Photocatalytic Degradation of Bisphenol A Induced by Dense Nanocavities Inside Aligned 2D-TiO2 Nanostructures, Snejana Bakardjieva , Radek Fajgar, Ivo Jakubec , Eva Koci , Alexander Zhigunov , Efthalia Chatzisymeon, Konstantina Davididou, Catalysis Today 328 (2018) 325-330.
Sonochemical synthesis of Graphene-Ce-TiO2 and Graphene-Fe-TiO2 ternary hybrid photocatalyst nanocomposite and its application in degradation of crystal violet dye T.P. Shende, B.A. Bhanvase, A.P. Rathod, D.V. Pinjari, S.H. Sonawane, Ultrasonics - Sonochemistry 41 (2018) 582–589.
Combination of sonochemical and freeze-drying methods for synthesis of graphene/Ag-doped TiO2 nanocomposite: A strategy to boost the photocatalytic performance via well distribution of nanoparticles between graphene sheets, Muhammad Aqeel Ashraf, Zhenling Liu, Wan-Xi Peng, Kittisak Jermsittiparsert, Ghader Hosseinzadeh, Raza Hosseinzadeh, Ceramics International 46 (2020) 7446-7452.
Hydrothermal synthesis of graphene/Fe3+-doped TiO2 nanowire composites with highly enhanced photocatalytic activity under visible light irradiation, Wenqiang Li, Xiang Liu and Hexing Li, J. Mater. Chem. A (2015) 15214-15224.
Artificial photosynthesis: understanding water splitting in nature, Nicholas Cox, Dimitrios A. Pantazis, Frank Neese, and Wolfgang Lubitz, Interface Focus. 6 (2015) art.No. 2015000
Seznam doporučené literatury
1. Photocatalytic Degradation of Bisphenol A Induced by Dense Nanocavities Inside Aligned 2D-TiO2 Nanostructures, Snejana Bakardjieva , Radek Fajgar, Ivo Jakubec , Eva Koci , Alexander Zhigunov , Efthalia Chatzisymeon, Konstantina Davididou, Catalysis Today 328 (2018) 325-330.
Sonochemical synthesis of Graphene-Ce-TiO2 and Graphene-Fe-TiO2 ternary hybrid photocatalyst nanocomposite and its application in degradation of crystal violet dye T.P. Shende, B.A. Bhanvase, A.P. Rathod, D.V. Pinjari, S.H. Sonawane, Ultrasonics - Sonochemistry 41 (2018) 582–589.
Combination of sonochemical and freeze-drying methods for synthesis of graphene/Ag-doped TiO2 nanocomposite: A strategy to boost the photocatalytic performance via well distribution of nanoparticles between graphene sheets, Muhammad Aqeel Ashraf, Zhenling Liu, Wan-Xi Peng, Kittisak Jermsittiparsert, Ghader Hosseinzadeh, Raza Hosseinzadeh, Ceramics International 46 (2020) 7446-7452.
Hydrothermal synthesis of graphene/Fe3+-doped TiO2 nanowire composites with highly enhanced photocatalytic activity under visible light irradiation, Wenqiang Li, Xiang Liu and Hexing Li, J. Mater. Chem. A (2015) 15214-15224.
Artificial photosynthesis: understanding water splitting in nature, Nicholas Cox, Dimitrios A. Pantazis, Frank Neese, and Wolfgang Lubitz, Interface Focus. 6 (2015) art.No. 2015000