Reaktivní sorbenty na bázi oxidu ceru (CeO2) mají schopnost vázat a chemicky rozkládat některé druhy znečišťujících látek v životním prostředí, jejichž množství neustále roste. Tato práce se zabývá optimalizací nízkoteplotní syntézy nanostrukturního CeO2 za účelem získání reaktivního sorbentu s vysokou účinností rozkladu parathion-methylu (PM), který sloužil jako primární modelová látka (ML) v procesu hodnocení optimalizace. Při optimalizaci byl hodnocen vliv reakční teploty, koncentrace cerité soli a množství srážecího činidla v průběhu syntézy a vliv sušení, žíhání a aktivace povrchu reaktivního sorbentu, jako post-syntetických úprav. Nízkoteplotní syntéza byla zvolena z důvodu možného využití příznivých podmínek potřebných pro přípravu kompozitních materiálů s uhlíkovými komponenty grafen oxidu (GO) a nanodiamantů (ND), které jsou citlivé na vysokou teplotu. Získané materiály byly detailně charakterizovány pomocí vybraných metod analýzy pevných látek, jako je elektronová mikroskopie (SEM, TEM), prášková rentgenová difrakce (XRD), rentgen fotoelektronová spektroskopie (XPS), termická gravimetrie (TG), Ramanova spektroskopie a adsorpce dusíku pro stanovení měrného povrchu a porozity (BET).
Bylo prokázáno, že několik klíčových vlastností CeO2, jako je jeho krystalinita, velikost zrn a velikost měrného povrchu, lze snadno řídit reakční teplotou. Tyto vlastnosti významně ovlivňují katalytickou aktivitu připravených nanočástic CeO2 při rozkladu ML. Bylo zjištěno, že v případě použití nejnižší teploty během syntézy (5 °C) lze docílit přípravy nanostrukturního CeO2 s velkým specifickým povrchem (řádově desítky až stovky m2g-1) a velmi malými krystality (jednotky nm). Naopak, v případě použití vyšších teplot lze získat volně agregované uniformní kubické nanočástice. Kombinace vysokého měrného povrchu, vhodného poměru Ce3+/Ce4+, množství povrchových -OH skupin a defektů v nanokrystalické struktuře, předurčují CeO2 k využití v různých aplikacích. Studium interakce CeO2 s širokou skupinou znečišťujících látek, jako jsou pesticidy a léčiva, bylo také předmětem této práce. Získané výsledky ukazují, že CeO2 v nanostrukturní formě je nejen účinným sorbentem pro záchyt většiny znečišťujících látek, ale také účinným reaktivním sorbentem pro rozklad některých znečišťujících látek z vodných i nevodných roztoků s aplikačním potenciálem pro využití při odstraňování kontaminantů z životního prostředí.
Anotace v angličtině
Reactive sorbents based on cerium oxide (CeO2) have the ability to adsorb and chemically degrade certain types of pollutants in the environment, the levels of which are continuously increasing. This work focuses on the optimization of low-temperature synthesis of nanostructured CeO2 to obtain a reactive sorbent with high efficiency in the degradation of parathion-methyl (PM), which served as the primary model compound (MC) in the optimization evaluation process. Optimization included assessment of the effect of reaction temperature, concentration of cerium salt, and amount of precipitating agent during synthesis, as well as the effect of post-synthesis treatments such as drying, annealing, and surface activation of the reactive sorbent. Low-temperature synthesis was chosen to facilitate the favorable conditions required for the preparation of composite materials with carbon components such as graphene oxide (GO) and nanodiamonds (ND), which are sensitive to high temperatures. The obtained materials were comprehensively characterized using selected solid-state analysis methods, including electron microscopy (SEM, TEM), X-ray powder diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), thermal gravimetry (TG), Raman spectroscopy, and nitrogen adsorption to determine of specific surface area and porosity (BET).
Several key properties of CeO2, such as its crystallinity, grain size, and specific surface area, have been shown to be easily controlled by the reaction temperature. These properties significantly influence the catalytic activity of prepared CeO2 nanoparticles in degradation reactions of MC. It was found that the use of the lowest synthesis temperature (5 °C) allows the preparation of nanostructured CeO2 with a high specific surface area (approximately tens to hundreds of m2g-1) and very small crystallites (approximately one to ten nanometers). Conversely, higher temperatures yield loosely aggregated uniform cubic nanostructures. The combination of high specific surface area, suitable Ce3+/Ce4+ ratio, content of -OH groups on the surface and defects in the nanocrystalline structure predetermines CeO2 for various applications. The subject of this work was also the study of the interaction of CeO2 with a wide range of pollutants such as pesticides and pharmaceuticals. The obtained results indicate that nanostructured CeO2 is not only an effective sorbent for capture of most pollutants, but also an efficient reactive sorbent for the degradation of some pollutants from aqueous and non-aqueous solutions with potential applications in the removal of environmental contaminant.
Optimization of synthesis, CeO2, graphene oxide, nanodiamonds, parathion-methyl, pesticides, pharmaceuticals
Rozsah průvodní práce
132 s. (249 856 znaků)
Jazyk
CZ
Anotace
Reaktivní sorbenty na bázi oxidu ceru (CeO2) mají schopnost vázat a chemicky rozkládat některé druhy znečišťujících látek v životním prostředí, jejichž množství neustále roste. Tato práce se zabývá optimalizací nízkoteplotní syntézy nanostrukturního CeO2 za účelem získání reaktivního sorbentu s vysokou účinností rozkladu parathion-methylu (PM), který sloužil jako primární modelová látka (ML) v procesu hodnocení optimalizace. Při optimalizaci byl hodnocen vliv reakční teploty, koncentrace cerité soli a množství srážecího činidla v průběhu syntézy a vliv sušení, žíhání a aktivace povrchu reaktivního sorbentu, jako post-syntetických úprav. Nízkoteplotní syntéza byla zvolena z důvodu možného využití příznivých podmínek potřebných pro přípravu kompozitních materiálů s uhlíkovými komponenty grafen oxidu (GO) a nanodiamantů (ND), které jsou citlivé na vysokou teplotu. Získané materiály byly detailně charakterizovány pomocí vybraných metod analýzy pevných látek, jako je elektronová mikroskopie (SEM, TEM), prášková rentgenová difrakce (XRD), rentgen fotoelektronová spektroskopie (XPS), termická gravimetrie (TG), Ramanova spektroskopie a adsorpce dusíku pro stanovení měrného povrchu a porozity (BET).
Bylo prokázáno, že několik klíčových vlastností CeO2, jako je jeho krystalinita, velikost zrn a velikost měrného povrchu, lze snadno řídit reakční teplotou. Tyto vlastnosti významně ovlivňují katalytickou aktivitu připravených nanočástic CeO2 při rozkladu ML. Bylo zjištěno, že v případě použití nejnižší teploty během syntézy (5 °C) lze docílit přípravy nanostrukturního CeO2 s velkým specifickým povrchem (řádově desítky až stovky m2g-1) a velmi malými krystality (jednotky nm). Naopak, v případě použití vyšších teplot lze získat volně agregované uniformní kubické nanočástice. Kombinace vysokého měrného povrchu, vhodného poměru Ce3+/Ce4+, množství povrchových -OH skupin a defektů v nanokrystalické struktuře, předurčují CeO2 k využití v různých aplikacích. Studium interakce CeO2 s širokou skupinou znečišťujících látek, jako jsou pesticidy a léčiva, bylo také předmětem této práce. Získané výsledky ukazují, že CeO2 v nanostrukturní formě je nejen účinným sorbentem pro záchyt většiny znečišťujících látek, ale také účinným reaktivním sorbentem pro rozklad některých znečišťujících látek z vodných i nevodných roztoků s aplikačním potenciálem pro využití při odstraňování kontaminantů z životního prostředí.
Anotace v angličtině
Reactive sorbents based on cerium oxide (CeO2) have the ability to adsorb and chemically degrade certain types of pollutants in the environment, the levels of which are continuously increasing. This work focuses on the optimization of low-temperature synthesis of nanostructured CeO2 to obtain a reactive sorbent with high efficiency in the degradation of parathion-methyl (PM), which served as the primary model compound (MC) in the optimization evaluation process. Optimization included assessment of the effect of reaction temperature, concentration of cerium salt, and amount of precipitating agent during synthesis, as well as the effect of post-synthesis treatments such as drying, annealing, and surface activation of the reactive sorbent. Low-temperature synthesis was chosen to facilitate the favorable conditions required for the preparation of composite materials with carbon components such as graphene oxide (GO) and nanodiamonds (ND), which are sensitive to high temperatures. The obtained materials were comprehensively characterized using selected solid-state analysis methods, including electron microscopy (SEM, TEM), X-ray powder diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), thermal gravimetry (TG), Raman spectroscopy, and nitrogen adsorption to determine of specific surface area and porosity (BET).
Several key properties of CeO2, such as its crystallinity, grain size, and specific surface area, have been shown to be easily controlled by the reaction temperature. These properties significantly influence the catalytic activity of prepared CeO2 nanoparticles in degradation reactions of MC. It was found that the use of the lowest synthesis temperature (5 °C) allows the preparation of nanostructured CeO2 with a high specific surface area (approximately tens to hundreds of m2g-1) and very small crystallites (approximately one to ten nanometers). Conversely, higher temperatures yield loosely aggregated uniform cubic nanostructures. The combination of high specific surface area, suitable Ce3+/Ce4+ ratio, content of -OH groups on the surface and defects in the nanocrystalline structure predetermines CeO2 for various applications. The subject of this work was also the study of the interaction of CeO2 with a wide range of pollutants such as pesticides and pharmaceuticals. The obtained results indicate that nanostructured CeO2 is not only an effective sorbent for capture of most pollutants, but also an efficient reactive sorbent for the degradation of some pollutants from aqueous and non-aqueous solutions with potential applications in the removal of environmental contaminant.
Optimization of synthesis, CeO2, graphene oxide, nanodiamonds, parathion-methyl, pesticides, pharmaceuticals
Zásady pro vypracování
Práce bude zaměřena na optimalizaci nizkoteplotní syntézy nanostrukturního oxidu ceričitého, studium jeho interakcí s environmentálními polutanty a využití této syntézy pro přípravu kompozitních materiálů.
V první části bude cílem pochopit souvislosti mezi podmínkami syntézy a jejich vlivem na katalytické vlastnosti CeO2. K tomuto účelu bude v průběhu optimalizace syntézy využíváno metod analýzy pevných látek (XRD, TEM, SEM, Raman, XPS, TG, BET) a studia kinetiky katalytického rozkladu modelové látky (ML).
Druhá část práce bude zaměřena na studium interakce připraveného CeO2 s širokou škálou ML, organických polutantů z řad pesticidů a léčiv, a vlivu struktury ML na míru této interakce.
Zásady pro vypracování
Práce bude zaměřena na optimalizaci nizkoteplotní syntézy nanostrukturního oxidu ceričitého, studium jeho interakcí s environmentálními polutanty a využití této syntézy pro přípravu kompozitních materiálů.
V první části bude cílem pochopit souvislosti mezi podmínkami syntézy a jejich vlivem na katalytické vlastnosti CeO2. K tomuto účelu bude v průběhu optimalizace syntézy využíváno metod analýzy pevných látek (XRD, TEM, SEM, Raman, XPS, TG, BET) a studia kinetiky katalytického rozkladu modelové látky (ML).
Druhá část práce bude zaměřena na studium interakce připraveného CeO2 s širokou škálou ML, organických polutantů z řad pesticidů a léčiv, a vlivu struktury ML na míru této interakce.
Seznam doporučené literatury
P. Janos, P. Kuran, M. Kormunda, V. Stengl, T.M. Grygar, M. Dosek, M. Stastny, J. Ederer, V. Pilarova, L. Vrtoch, Cerium dioxide as a new reactive sorbent for fast degradation of parathion methyl and some other organophosphates, J. Rare Earths 32 (2014), pp. 360–370. doi: 10.1016/S1002-0721(14)60079-X.
P. Janoš, T. Hladík, M. Kormunda, J. Ederer, M. Šťastný, Thermal Treatment of Cerium Oxide and Its Properties: Adsorption Ability versus Degradation Efficiency, Adv. Mater. Sci. Eng. 2014 (2014), pp. 1–12. doi: 10.1155/2014/706041.
M. Hvězdová, P. Kosubová, M. Košíková, K.E. Scherr, Z. Šimek, L. Brodský, M. Šudoma, L. Škulcová, M. Sáňka, M. Svobodová, L. Krkošková, J. Vašíčková, N. Neuwirthová, L. Bielská, J. Hofman, Currently and recently used pesticides in Central European arable soils, Sci. Total Environ. 613–614 (2018), pp. 361–370. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.09.049.
T.A. Ternes, Occurrence of drugs in German sewage treatment plants and rivers, Water Res. 32 (1998), pp. 3245–3260. doi: 10.1016/S0043-1354(98)00099-2.
Seznam doporučené literatury
P. Janos, P. Kuran, M. Kormunda, V. Stengl, T.M. Grygar, M. Dosek, M. Stastny, J. Ederer, V. Pilarova, L. Vrtoch, Cerium dioxide as a new reactive sorbent for fast degradation of parathion methyl and some other organophosphates, J. Rare Earths 32 (2014), pp. 360–370. doi: 10.1016/S1002-0721(14)60079-X.
P. Janoš, T. Hladík, M. Kormunda, J. Ederer, M. Šťastný, Thermal Treatment of Cerium Oxide and Its Properties: Adsorption Ability versus Degradation Efficiency, Adv. Mater. Sci. Eng. 2014 (2014), pp. 1–12. doi: 10.1155/2014/706041.
M. Hvězdová, P. Kosubová, M. Košíková, K.E. Scherr, Z. Šimek, L. Brodský, M. Šudoma, L. Škulcová, M. Sáňka, M. Svobodová, L. Krkošková, J. Vašíčková, N. Neuwirthová, L. Bielská, J. Hofman, Currently and recently used pesticides in Central European arable soils, Sci. Total Environ. 613–614 (2018), pp. 361–370. doi: 10.1016/j.scitotenv.2017.09.049.
T.A. Ternes, Occurrence of drugs in German sewage treatment plants and rivers, Water Res. 32 (1998), pp. 3245–3260. doi: 10.1016/S0043-1354(98)00099-2.
Přílohy volně vložené
-
Přílohy vázané v práci
-
Převzato z knihovny
Ano
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Předseda komise, doc. Jiří Orava, krátce představil studenta a seznámil studenta i komisi s průběhem obhajoby. Dále omluvil nepřítomnost prof. Lucie Obalové a představil členy komise.
Dále školitel, prof. Pavel Janoš, přečetl svůj posudek a shrnul a hodnotil celý průběh studia Mgr. Jakuba Tolasze. Školitel studenta hodnotil vesměs pozitivně s tím rozdílem, že od něj očekával větší invenci během studia. Školitel doporučuje práci k obhajobě.
Předseda komise poté vyzval studenta, aby představil svou disertační práce. Student ve 20 minutách představil téma a klíčové výsledky své disertační práce formou prezentace přednesené v českém jazyce.
Předseda komise vyzval prof. Josefa Šedlbauera, oponenta práce, aby shrnul svůj posudek. Po přečtení posudku oponent požádal studenta, aby se vyjádřil ke komentáři ohledně aplikačního potenciálu, který student v abstraktu zmiňuje, ale v závěrech se tomuto tématu nevěnuje. Dále student zodpovídal dotazy, které oponent v posudku uvádí. Oponent nad rámec posudku dále se studentem diskutoval možnost, zda by se CeO2 spíše nehodil na vychytávání fosforu z odpadních vod. Oponent uzavřel svůj posudek a hodnotí práci tak, že splňuje požadavky kladené na disertační práci.
Za nepřítomnou oponentku prof. Lucii Obalovou posudek přečetl předseda komise doc. Jiří Orava. Dále vyzval studenta, aby se vyjádřil ke komentáři oponentky: „Oceňuji i pokus se zvětšením měřítka vybraného postupu syntézy CeO2. Zde bych chtěla poznamenat, že změnu teploty při syntéze z 60 °C v laboratorním měřítku na 30 °C při syntéze ve čtvrtprovozním měřítku považuji za významnou změnu podmínek syntézy a dovolím si tak nesouhlasit s tvrzením, že byly při syntéze ve čtvrtprovozním měřítku dodrženy optimální podmínky syntézy zjištěné při laboratorních pokusech (str. 78).“ Dále předseda komise vyzval studenta, aby se vyjádřil k dotazům uvedeným v posudku. Závěr posudku prohlašuje, že práce splňuje požadavky kladené na disertační práci.
Předseda komise dále otevřel všeobecnou rozpravu:
doc. Ing. Pavel Krystyník, Ph.D. – Požádal studenta, aby upřesnil, jaký vliv mají aromatická jádra na rozklad organofosfátů, které student zmínil během obhajoby. Dále zmínil několik formálních připomínek k práci studenta. Prof. Ing. Pavel Janoš, CSc. – Požádal studenta, aby na základě dotazu doc. Krystyníka upřesnil mechanismus štěpení organofosfátů. Doc. Ing. Jiří Orava, Ph.D. – Komentuje v práci zmíněnou velikost částic a jejich vztah k velikosti pórů a jak je možné že póry jsou větší než samotné částice. Dále: proč se zabýval nanočásticemi, proč místo toho nezvolil tenké filmy a jestli má student představu, jaký vliv by to mělo na mechanismus degradace polutantů.
Výsledky tajného hlasování: přítomni 4 členi komise z 5. 4 ze 4 přítomných členů hlasovalo OBHÁJIL. Na základě obhajoby komise navrhuje udělit studentovi titul doktor (Ph.D.).