Environmental applications of Graphene-based materials

Transcript

1 Environmental applications of Graphene-based materials Νίκος Ξεκουκουλωτάκης Επίκουρος Καθηγητής Πολυτεχνείο Κρήτης Σχολή Μηχανικών Περιβάλλοντος Γραφείο Κ2.125, τηλ.:

2 Περίληψη Περιβαλλοντικές εφαρμογές γραφενίου και παραγώγων του: ετερογενής φωτοκατάλυση ετερογενής φωτοκατάλυση και γραφένιο διήθηση με μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου 2

3 Εφαρμογές του γραφενίου Περιβάλλον??? 3

4 Ετερογενής Φωτοκατάλυση Ετερογενής φωτοκατάλυση: κατάλυση μιας φωτοχημικής αντίδρασης, ηοποίαλαμβάνειχώρα στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού (συνήθως TiO 2 ). 4

5 Μηχανισμός φωτοκατάλυσης 5

6 Φωτοκατάλυση Akira Fujishima, Kenichi Honda, Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode, Nature, 238 (1972) Akira Fujishima (1942) Kenichi Honda (1925) 6

7 Φωτοκατάλυση 7

8 Μηχανισμός φωτοκατάλυσης 8

9 Μηχανισμός φωτοκατάλυσης 9 CB: Στοιβάδα Αγωγιμότητας Ε bg = 3,2 ev heat VB: Στοιβάδα Σθένους 9

10 Φωτοκατάλυση: Εφαρμογές 10

11 Ημιαγωγοί 11

12 Φωτοκατάλυση: Δημοσιεύσεις Αριθμός Δημισιεύσεων photocat* photocat* AND TiO2 Πηγή: Scopus Έτος 12

13 Φωτοκατάλυση: Εφαρμογές 13

14 Photocatalytic tents 14

15 Φωτοκατάλυση: Εφαρμογές Mané Garrincha National Stadium, Brasília, Brasil 15

16 Φωτοκατάλυση: Εφαρμογές Misericordia Church - Rome, Italy 16

17 Φωτοκαταλυτική πόλη 17

18 Φωτοκατάλυση και Γραφένιο 18 G. Williams, B. Seger, P.V. Kamat, TiO 2 -Graphene Nanocomposites. UV-Assisted Photocatalytic Reduction of Graphene Oxide, ACS Nano, 2 (2008)

19 Φωτοκατάλυση και Γραφένιο 19

20 Φωτοκατάλυση και Γραφένιο H. Zhang, X. Lv, Y. Li, Y. Wang, J. Li, P25-Graphene Composite as a High Performance Photocatalyst, ACS Nano, 4 (2010)

21 21 Γραφένιο και Φωτοκατάλυση Δημιουργία μίας νέας γενιάς φωτοκαταλυτών Εφαρμογή στην παραγωγή Η 2 από την διάσπαση Η 2 Ο Εφαρμογή στην διάσπαση οργανικών ρύπων στην υγρή και στην αέρια φάση Υλικά με ενισχυμένη καταλυτική ενεργότητα λόγω: 1. της μεγάλης ενεργής επιφάνειας 2. της μεγάλης ηλεκτρικής αγωγιμότητας η οποία ευνοεί την μετακίνηση των ηλεκτρονίων και μειώνει τον επανασυνδυασμό οπών-ηλεκτρονίων. 21

22 Γραφένιο και Φωτοκατάλυση: Δημοσιεύσεις Graphene AND photocat* Graphene AND TiO2 Αριθμός Δημισιεύσεων Έτος 22

23 Figure 1. Synthesis of graphite oxide Addition of Η 2 Ο Graphite Addition of ΚMnO 4 Heating (~35 ο C) Addition of Η 2 Ο 2 Graphite Oxide, GO (a) washing, drying, (b) sonication (exfoliation), ( c) centrifugation in two stages (2000 and rpm) (d) drying (60 ο C ) 23

24 Hydrothermal synthesis of TiO 2 -RGO Reaction condition: solvent (EtOH, EtOH/H 2 O), reaction temperature (120 o C, 180 o C), treatment time (6 & 24 h) and graphene oxide content (1 & 5%). Picture 1 Stages of hydrothermal treatment: (a) aqueous solution of graphene oxide after sonication, (b) aqueous solution of graphene and TiO 2 before and (c) after hydrothermal treatment 24

25 Table 3. TiO 2 -RGO, group I Picture 2 High-pressure Laboratory Reactor. Picture 3. TiO 2 -RGO photocatalysts 25

26 Photocatalytic synthesis of TiO 2 -RGO Reaction condition: solvent (EtOH, MetOH, i- PrOH, H 2 O), irradiation time (15, 30, 60 & 120 min) and graphene oxide content (1, 5 & 10%). Picture 4 (a) Photocatalytic reduction of GO to rgo, (b) mixture of TiO 2 and graphene oxide before and after photocatalytic treatment 26

27 Photocatalytic synthesis of TiO 2 -RGO 27

28 Hydrothermal synthesis of TiO 2 -RGO 28

29 Φωτοκαταλυτική διάσπαση ΕΕ2 1,0 0,8 H H CH 3 H OH TiO2 TiO2-RGO 0,6 HO 17α-ethynylestradiol (EE2) C/C 0 0,4 0,2 0, Time, min 29

30 CO 2 στην ατμόσφαιρα, Keeling curve 30

31 CO 2 στην ατμόσφαιρα, Keeling curve 31

32 Φωτοκαταλυτική αναγωγή του CO 2 CO 2 (g) + 2H 2 O(g) CH 4 (g) + 2O 2 (g) S.N. Habisreutinger, Lukas Schmidt-Mende, J. K. Stolarczyk, Photocatalytic Reduction of CO 2 on TiO 2 and Other Semiconductors, Angew. Chem. Int. Ed. 52 (2013)

33 Φωτοκαταλυτική αναγωγή του CO 2 Tan et al., Visible-light-active oxygen-rich TiO 2 decorated 2D graphene oxide with enhanced photocatalytic activity toward carbon dioxide reduction, Appl. Catal. B: Environ. 179 (2015)

34 Μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου 34

35 Μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου Nair R.R., Wu H.A., Jayaram P.N., Grigorieva I.V., Geim A.K. Unimpeded permeation of water through Helium-leak tight graphene-based membranes, Science, 335 (2012)

36 Μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου 36

37 Μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου 37

38 Μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου 38

39 Μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου Joshi R.K., Carbone P., Wang F.C., Kravets V.G., Su Y., Grigorieva I.V., Wu H.A., Geim A.K., Nair R.R. Precise and ultrafast molecular sieving through graphene oxide membranes, Science, 343 (2014)

40 Μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου 40

41 Μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου 41

42 Μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου 42

43 Μεμβράνες οξειδίου του γραφενίου 1,0 0,9 0,8 0,7 Αρχικό διάλυμα orange II Διήθημα φίλτρου GO#3-50_02 Absorbance 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, λ, nm 43

44 Συμπεράσματα Διάφορα σύνθετα ή/και παράγωγα υλικά του γραφενίου εμφανίζουν ενδιαφέρουσες περιβαλλοντικές εφαρμογές. Απαιτείται περαιτέρω έρευνα για τη βελτιστοποίηση της παρασκευής τους, καθώς και επιπλέον μελέτη των ιδιοτήτων τους. Απαιτείται λεπτομερής χαρακτηρισμός των υλικών ώστε να γίνει συσχέτιση δομήςδραστικότητας. 44

45 Ευχαριστώ για την προσοχή σας! 45