Σύνθετοι φωτονικοί κρύσταλλοι οξειδίου του γραφενίου και διοξειδίου τιτανίου

Transcript

1 Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Τμήμα Φυσικής Τομέας Φυσικής Στερεάς Κατάστασης Σύνθετοι φωτονικοί κρύσταλλοι οξειδίου του γραφενίου και διοξειδίου τιτανίου Διαμαντοπούλου Αγγελική Τριμελής Επιτροπή: Επικ. Καθηγητής Σ. Γλένης Επικ. Καθηγητής Β. Λυκοδήμος Καθηγητής Χ. Λόντος Αθήνα, 2018

2 Φωτονικοί Κρύσταλλοι Φωτονικοί κρύσταλλοι TiO 2 ( ): Νανοδομημένες μορφές τιτανίας με περιοδική δομή Φωτονικά χάσματα Φασματικές περιοχές στις οποίες δεν διαδίδεται η Η/Μ ακτινοβολία. Ενισχύεται η οπτική απορρόφηση του υλικού μέσω των αργών φωτονίων. Φωτονικοί κρύσταλλοι GO-TiO 2 ( ): Συνδυασμός οξειδίου του γραφενίου με τους φωτονικούς κρυστάλλους TiO 2 Προσρόφηση περισσότερης ποσότητας ρύπου. Μείωση της επανασύνδεσης των φωτοεπαγόμενων φορέων. TiO 2 GO

3 Σύνθεση Φωτονικών Κρυστάλλων GO-TiO 2 (450 ο C/ ροή αζώτου) Οπάλιο Αυτό-οργάνωση σφαιρών πολυστυρενίου (PS) σε περιοδική δομή πυκνής τάξης fcc. Εμποτισμός με διάλυμα TTIP + GO Αποσύνθεση πολυμερικής μήτρας Αντίστροφα οπάλια GO- TiO 2 (Από οπάλια 350 nm) Εκτεταμένες Ρωγμές στη δομή των αντίστροφων οπαλίων.

4 Σύνθεση Φωτονικών Κρυστάλλων GO-TiO 2 Σύνθεση φωτονικού κρυστάλλου TiO 2 ( ) (450 ο C/ αέρας) Αποσύνθεση πολυμερικής μήτρας Εναιώρημα σφαιρών PS+ Διάλυμα με TiBALDH Αυτό-οργάνωση σφαιρών σε περιοδική δομή πυκνής τάξης. Η εμφάνιση ρωγμών περιορίζεται. Βύθιση σε υδατικό νανοκολλοειδές διάλυμα φύλλων GO (200 x 200 nm) (24 hr RT) Προσρόφηση νανο-φύλλων GO Φωτονικός κρύσταλλος GO-TiO 2

5 Δομή Φωτονικών Κρυστάλλων GO-TiO 2 Από PS-350 nm Από PS-400 nm Από PS-500 nm Πίνακας 1: Διάμετροι αντίστροφων οπαλίων D (nm) (350) (400) (500) 223(10) 250(10) 289(10) 218(10) 244(10) 282(10) Η προσρόφηση του GO δεν επηρεάζει τη διάμετρο των πόρων των φωτονικών κρυστάλλων TiO 2.

6 Φασματοσκοπία Raman 514 nm E g A,B 1g 1g B 1g E g D G (350 nm) (400 nm) (500 nm) Πίνακας 2: Λόγος εντάσεων IG/ITiO 2. IG/ITiO 2 (350) (400) (500) Μεγαλύτερη Διάμετρος των PS Μεγαλύτερα τοιχώματα των πόρων των PC Μεγαλύτερη προσρόφηση GO στα τοιχώματα TiO Raman shift (cm -1 ) Ζώνες G (1605 cm -1 ) και D (1341 cm -1 ) κρυστάλλους. Επιβεβαιώνουν την παρουσία GO στους φωτονικούς

7 Diffuse Reflectance (%) Οπτικές Ιδιότητες Από PS-350 Από PS-400 Από PS Wavelength (nm) Πίνακας 3: Μήκος κύματος φωτονικών χασμάτων. PC-GO-TiO 2 Wavelength (nm) Νόμος Bragg Wavelength (nm) λ = D n m 2 2 f + n void 1 f 710 (350 nm) (400 nm) (500 nm) λ (nm) D n m f διάμετρος των σφαιρών δείκτης διάθλασης πολυστυρενίου παράγοντας πλήρωσης

8 Προσρόφηση ρύπου Κυανού του μεθυλενίου (Methylene Blue) Από PS-350 Από PS-400 C MB =10-4 M C MB =10-4 M C MB = M C PC-TiO MB = M Raman shift (cm -1 ) Πίνακας 4: Λόγος εντάσεων IMB/ITiO Raman shift (cm -1 ) IMB/ITiO 2 (350) (400) Raman shift (cm -1 ) [MB] (M) TiO 2 GO-TiO 2 TiO 2 GO/TiO H. Kim et al. / JIEC 21 (2015)

9 Φωτοκατάλυση Φωτοκατάλυση του ρύπου Methylene Blue υπό τη επίδραση υπεριώδους-ορατής ακτινοβολίας ( nm) Φίλτρα Καθρέφτης Πειραματική Διάταξη Φωτοκατάλυσης Λυχνία Xenon UVB IR Φωτονικός Κρύσταλλος (1x1 cm -1 ) VMB=4 ml /CMB= M Οπτικό Φασματόμετρο UV-vis

10 Από PS-400 Abs Από PS-350 Abs Φωτοκατάλυση t=0 min PC-GO+TiO t=15 min 2 t=0 min t=30 min t=15 min t=45 min t=30 min t=60 min t=45 min t=75 min t=60 min t=90 min t=75 min t=90 min Beer-Lambert Law t=0 min t=15 min t=30 min t=45 min t=60 min t=75 min t=90 min t=0 min t=15 min t=30 min t=45 min t=60 min t=75 min t=90 min Abs log I I 0 lc ε: extinction coefficient l: length c: concentration Wavelength (nm) Wavelength (nm)

11 ln(c/c 0 ) ln(c/c 0 ) Φωτοκατάλυση c t = c(0)e kt, k κινητική σταθερά της αντίδρασης Για τη φωτοκατάλυση οι φωτονικοί κρύσταλλοι βυθίζονται σε υδατικό διάλυμα ΜΒ PS t (min) PS t (min) Τα φωτονικά τους χάσματα μετατοπίζονται Πίνακας 5: Κινητική σταθερά της αντίδρασης k (min -1 ) (350) (400) To GO ενισχύει την -32(2) (5) (2) (3) 10-4 φωτοκατάλυση λ (nm) (350 nm) (400 nm)

12 Συμπεράσματα Μέθοδος της συναπόθεσης των πολυμερικών σφαιρών με το πρόδρομο διάλυμα τιτανίας Δημιουργία φωτονικών κρυστάλλων GO-TiO 2 με καλύτερη δομή. Η εισαγωγή του GO στους φωτονικούς κρυστάλλους τιτανίας δεν επηρεάζει τη θέση των φωτονικών χασμάτων. Οι λειτουργικές ομάδες οξυγόνου που διαθέτει το GO αλληλοεπιδρούν με τον ρύπο Methylene Blue Τα αντίστροφα οπάλια GO-TiO 2 εμφανίζουν μεγαλύτερη ικανότητα στην προσρόφηση του ρύπου αυτού. Οι φωτονικοί κρύσταλοι GO-TiO 2 ενισχύουν τη φωτοκαταλυτική αποικοδόμηση του ρύπου Methylene Blue αφενός εξαιτίας της μεγαλύτερης ικανότητάς τους να τον προσρροφούν, αφετέρου επειδή οδηγούν σε μείωση της επανασύνδεσης των φωτοεπαγόμενων φορέων.

13 Ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας!!