Uhlíková vlákna s nanostrukturami TiO pro fotokatalytické aplikace

Abstract

Nanostrukturované vrstvy kovových oxidů se staly výrazným funkčním materiálem v řadě aplikací spojených s pokročilými materiály, včetně přeměny energie, detekce různých látek a environmentální sanace. Fotokatalytický rozklad různých znečišťujících látek (např. těkavých organických sloučenin, barviv a bakterií) je jednou z hlavních aplikací těchto pokročilých materiálů. Konkrétně fotokatalýza poskytuje udržitelný, efektivní a účinný způsob degradace různých organických kontaminantů z odpadních vod. Cílem této práce je připravit nanostrukturované vrstvy oxidu titaničitého (TiO2) na uhlíkových vláknech (CF), s cílem fotokatalyticky rozložit methylenovou modř (MB) - modelové barvivo, použité jako kontaminant. Pro dosažení účinné fotokatalytické účinnosti byly použity dvě doplňující se syntetické metody, a to metoda mokré chemické syntézy a infiltrace parní fáze (vapour phase infiltration, VPI). Mokrá chemická syntéza využívá reakce v roztoku, které vedou k tvorbě nanočástic oxidů kovů na povrchu vlákna. Tato syntetická metoda je relativně levná a jednoduchá cesta, jak vyrobit nanopartikulární povlaky s možností ovlivnit velikost krystalitů, které ovlivňují celkový měrný povrch vlákna. Navíc, tento postup nevyžaduje drahé specializované vybavení. Naopak, VPI se používá k nanášení konformních a atomárně deponovaných oxidů kovů pomocí infiltrace na povrch vlákna. VPI zajišťuje jednotnost povlaku a může být použita k přípravě různých hmotností a krystalinity TiO2. Tento proces však vyžaduje použití specializovaných nástrojů - specializovaných ALD reaktorů - ve kterých probíhá infiltrace. V této diplomové práci byly CFs@ TiO2 charakterizovány pomocí SEM, EDXRF, EDX, XRD, Ramanovy spektroskopie (RS) a UV-Vis DRS spektroskopie, které potvrdily přítomnost nebo zapojení (v závislosti na technice) nanostrukturované vrstvy TiO2 na CFs. Pomohly objasnit vztah mezi metodou syntézy, strukturálními a optickými vlastnostmi. Fotokatalytický výkon byl hodnocen prostřednictvím degradace MB za působení UV záření. Obecně měla zvolená metoda nanášení dramatický vliv na morfologii, pokrytí povrchu a aktivitu konečných fotokatalyzátorů. Kinetika degradace a stabilita materiálů byly systematicky hodnoceny. Tato studie demonstruje proveditelnost kombinace škálovatelné přípravy vláken s multivalentními syntézními cestami pro environmentální odstranění znečišťujících látek. Mokrá chemická syntéza a VPI poskytují srovnávací rámec pro benchmarkování a hledání optimálních cest pro návrh materiálů, které mohou sloužit jako udržitelné fotokatalyzátory. Výsledky tohoto výzkumu pomohou dále podporovat environmentální využití nanostrukturovaných oxidů kovů pro fotokatalytické aplikace.Nanostructured metal oxide layers have become a prominent building block in a variety of fields related to advanced materials, including energy conversion, sensing, and environmental remediation. Photocatalytic decomposition of various pollutants (e.g., volatile organic compounds, dyes, and bacteria) is one of the main applications of these advanced materials. Specifically, photocatalysis provides a sustainable, efficient, and effective means to degrade a variety of organic contaminants from wastewater. The aim of this thesis is to synthesize nanostructured titanium dioxide (TiO2) layers on carbon fibers (CFs) to photocatalytically degrade methylene blue (MB), a model dye contaminant. In order to achieve efficient photocatalytic efficiency, two complementary synthetic methods were used, namely a wet chemical synthetic method and a Vapor Phase Infiltration (VPI). Wet chemical synthesis uses solution-based reactions, that result in metal oxide nanoparticles on the fiber surface. This synthetic method is a relatively inexpensive and straightforward way to produce nanoparticulate coatings with various crystallite sizes, which affect the available fiber surface. Moreover, this approach does not require any costly equipment. Conversely, VPI is utilized to deposit conformal and atomically controlled metal oxides infiltrated within the fiber uppermost surface. VPI provides coating uniformity and can be used to prepare different mass and crystallinity of TiO2. However, this process requires the use of specialized tools - specialized ALD-based rectors - in which the infiltration takes place. In this thesis, The CFs@TiO2 were characterized by SEM, EDXRF, EDX, XRD, Raman spectroscopy (RS), and UV-Vis DRS spectroscopy, which confirmed the presence or incorporation (depending on the technique) of a nanostructured TiO2 layer onto the CFs. They helped to clarify the relationship between the method of synthesis, structural, and optical properties. The photocatalytic performance was evaluated through MB degradation by UV light irradiation. Generally, the deposition method chosen had a dramatic effect on the morphology, surface coverage, and activity of the final photocatalysts. The degradation kinetics and stability of the materials were systematically assessed. This study demonstrates the feasibility of combining scalable fiber synthesis with multivalent synthetic routes for the environmental remediation of pollutants. The wet chemical synthesis and VPI provide a comparative framework for benchmarking and finding optimal pathways for the design of materials to serve as sustainable photocatalysts. The outcomes from this research will help further the environmental use of nanostructured metal oxides for photocatalytic applications.