Spectroscopic identification of reactive oxygen species in H2O2/ oxide composites

Powstawanie reaktywnych form tlenu może być powiązane z elektroprotycznymi reakcjami utleniania i redukcji lub homolitycznej dysocjacji wiązań O-O, OH-OH. H2O2 rozkłada się do cząsteczki tlenu oraz wody z wydzieleniem energii. W obecności jonów żelaza lub miedzi, nadtlenek wodoru może ulegać rozkładowi, czemu towarzyszy wytwarzanie reaktywnych form tlenu (RFT). Rozkład H2O2 mogą wywoływać również tlenki metali d0, żele krzemionkowe, glinokrzemiany, zeolity, węgiel aktywny. Dobrymi katalizatorami rozkładu nadtlenku wodoru są również spinele. Celem niniejszej pracy jest zbadanie wybranych kompozytów tlenkowych typu spinel/a-ZrO2 żel, katalizujących reakcję rozkładu nadtlenku wodoru z wytworzeniem reaktywnych form tlenu. Pożądany katalizator powinien odznaczać się dużą zdolnością do tworzenia reaktywnych form tlenu i słabą zdolnością do jej bezpośredniego rozkładu do O2. Przedmiotem niniejszych badań był nanostrukturalny spinel kobaltowy i żelazowy rozproszony na amorficznym tlenku cyrkonu(IV). Przeprowadzono szereg pomiarów spektroskopowych mających na celu pomoc w wyjaśnieniu roli temperatury reakcji oraz pH roztworu w procesie tworzenia reaktywnych form tlenu w zależności od stosowanego katalizatora. W przeprowadzonych badaniach wykorzystano techniki spektroskopii UV – VIS, Ramana, proszkową dyfrakcję rentgenowską (XRD) oraz elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR). Ponadto wykonano pomiary stężenia tlenu wytworzonego w reakcji rozkładu nadtlenku wodoru w różnych warunkach reakcji (temperatura, pH). Na podstawie otrzymanych wyników stwierdzono, że kompozyt Co3O4/a-ZrO2 wykazuje aktywność typu katalazy, a kompozyt Fe3O4/a-ZrO2 typu peroksydazy. Zanalizowano również wpływ sposobu syntezy kompozytu, temperatury reakcji i pH roztworu na przebieg reakcji rozkładu nadtlenku wodoru.

Reactive oxygen species (ROS) include singlet dioxygen, superoxide anion, peroxide anion, monoatomic oxygen and monoatomic oxygen anion, hydrogen peroxide, hydroxyl radical, ozone, nitric oxide. The formation of reactive oxygen species can be related to oxidation, reduction or homolytic dissociation reactions of O-O, OH-OH bonds. In the presence of iron or copper ions, hydrogen peroxide can decompose with the formation of resultant ROS. H2O2 decomposition may be also caused by d0 metal oxides, silica gels, aluminosilicates, zeolites or activated carbon,. The purpose of this thesis is to analyze selected spinel / a-ZrO2 gel that catalyze the hydrogen peroxide decomposition reaction with formation of reactive oxygen species. It is desirable that the catalysts exhibit a high capacity for reactive oxygen species formation and poor capacity for direct decomposition of the dioxygen. These processes can be controlled by appropriate tailoring of the catalyst composition. In these studies cobalt and iron spinels combined with amorphous zirconium oxide (IV). Were used as the catalysts. A number of various spectroscopic UV-VIS, Raman, XRD and electron paramagnetic resonance (EPR) techniques were used to clarify formation of the reactive oxygen species, depending on the particular nature of the used catalyst. In addition, the concentration of dioxygen evolving during the hydrogen peroxide decomposition reaction were measured under various conditions (reaction temperature and pH of the solution). Based on the obtained results, it was found that Co3O4/a-ZrO2 composite exhibited catalase-like activity, whereas Fe3O4/a-ZrO2 a peroxidase-type activity. The effect of the composite synthesis method on the hydrogen peroxide decomposition, pH of the solution and the reaction temperature were also analyzed.