Photocatalityc oxidation of C1 compounds in the gase phase on oxide semiconductors

Dwutlenek tytanu jest szeroko wykorzystywany w wielu dziedzinach życia ze względu na szereg pozytywnych właściwości fizykochemicznych. Ostatnimi czasy wzbudzał duże zainteresowanie za sprawą właściwości fotokatalitycznych i możliwości praktycznego wykorzystania ich m.in w reakcjach rozkładu szkodliwych związków organicznych lub w medycynie. Mimo to ciągle poszukiwane są nowe fotokataliztory, tworzone są ich modyfikacje wieloma różnymi metodami i związkami w celu poprawy wydajności, selektywności procesu oraz rozszerzenia zakresu stosowalności. W tej pracy stworzono zupełnie nowy kompozyt składający się z trzech półprzewodników tlenkowych. Dwutlenek tytanu pełnił funkcję fotokatalizatora, natomiast tlenek ceru(IV) oraz tlenek niklu(II) funkcję katalizatora. Syntezę materiału wykonano za pomocą metody mokrej impregnacji. Przeprowadzono pomiary reflektancji dyfuzyjnej (ang. DRS – Diffuse Reflectance Spectroscopy), rentgenowskiej dyfraktometrii proszkowej (ang. XRD - X-ray diffraction), a także fotochemiczne oraz fotoelektrochemiczne. Odpowiednio przekształcone uzyskane widma spektroskopii refleksyjnej pozwoliły na wyznaczenie wielkości przerwy wzbronionej badanych kompozytów. Rentgenowska dyfraktometria proszkowa umożliwiła jakościową krystalograficzną analizę fazową. Badania fotochemiczne i fotoelektrochemiczne dostarczyły informacji na temat zakresu oraz wielkości fotoaktywności stworzonego materiału. Wykonano również analizę ilościową i jakościową kompozytu za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (ang. SEM – Scanning Electron Microscope), skaningowego mikroskopu elektronowego z dodatkowym działaniem jonowym (ang. FIB-SEM – Focused Ion Beam) oraz skaningowego mikroskopu elektronowego wyposażonego w spektrometr mierzący energię promieniowania rentgenowskiego EDS (ang. EDS – Energy Dispersive X-ray Spectrometry). Aktywność fotokatalityczną mierzono w specjalnie wykonanym na potrzeby doświadczenia reaktorze. Przerwa energetyczna zsyntezowanego materiału wyniosła 3,11 (3,31) eV. Dyfraktogram dla kompozytu TiO2/CeO2/NiO wykazał obecność wszystkich trzech tlenków oraz brak zanieczyszczeń. Na mapie fotoprądów widoczne były fotoprądy anodowe oraz katodowe. Wykonany szereg badań mających na celu charakterystykę materiału dowiódł, że wykazuje on właściwości fotokatalityczne, w kierunku utleniania metanolu, a także konwersji metanolu w tlenek węgla(II) oraz wodór.

Titanium dioxide is widely used in many areas of life due to a number of advantageous physicochemical properties. Recently, a great interest has aroused due to photocatalytic properties and the possibility of practical use of this material, among others in decomposition of harmful organic compounds or in medicine. Despite this, new photocatalysts are constantly developed, their modifications are created with many different methods and compounds to improve efficiency, process selectivity and to extend the range of applicability. In this work, a completely new composite consisting of three oxide semiconductors was synthesized. Titanium dioxide served as a photocatalyst, while ceria and nickel(II) oxide were used as a catalyst. The synthesis of material was carried out using the wet impregnation method. Diffuse reflectance spectroscopy (DRS) and X-Ray powder diffraction (XRD) analyses, as well as photochemical and photoelectrochemical measurements were carried out. The transformed reflectance spectra allowed to determine the band gap energy of the tested composites. X-ray powder diffractometry enabled a qualitative crystallographic phase analysis. Photochemical and photoelectrochemical studies provided information on photoactivity of the obtained material. A quantitative and qualitative analysis of the composite was also carried out using a scanning electron microscope (SEM), a focused ion beam combined with scanning electron microscope (FIB-SEM) and a scanning electron microscope with energy dispersive X-ray spectrometry (EDS). The photocatalytic activity was tested in the reactor specially designed for the experiment. The band gap energy of the synthesized material was 3.11 (3.31) eV. The diffractogram of the TiO2/CeO2/NiO composite showed the presence of all three oxides and the absence of impurities. Anodic and cathodic photocurrents were recorded. A number of tests to characterize the material have shown that it exhibits photocatalytic properties towards methanol oxidation, as well as the conversion of methanol to carbon monoxide and hydrogen.