Διημερίδα ΤΕΙ Κρήτης, 27-29 Σεπτεμβρίου 2015 Ανάπτυξη φωτοκαταλυτικών νανοδομημένων οξειδίων μετάλλων για την αποδόμηση οργανικών ρυπαντών κάτω από έκθεση σε υπεριώδη (UV) / ορατή (VIS) ακτινοβολία Νίκος Κατσαράκης Κέντρο Σεχνολογίας Τλικών και Υωτονικής, Σεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Σμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, χολή Σεχνολογικών Εφαρμογών, Σεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Κρήτης Ηράκλειο, 27-29 επτεμβρίου 2015
Τι είναι η ετερογενής φωτοκατάλυση; Η ετερογενής φωτοκατάλυση έχει συγκεντρώσει μεγάλο επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον λόγω της αποτελεσματικής αποδόμησης οργανικών ρυπαντών, της παρασκευής αυτοκαθαριζόμενων επιφανειών και της απενεργοποίησης παθογόνων μικροοργανισμών. Έγκειται στην αξιοποίηση των καταλυτικών διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στην επιφάνεια ενός ημιαγωγού (TiO 2, ZnO, CdS κ.α.) παρουσία τεχνητού ή φυσικού φωτισμού, οι οποίες μπορούν να οδηγήσουν στην πλήρη οξείδωση διαφόρων οργανικών και ανόργανων ρύπων (π.χ. χρωστικών ουσιών, φαρμακευτικών ουσιών, αέριων ρυπαντών κ.α.). υνήθως, έχουμε τη δημιουργία ισχυρών οξειδωτικών μέσων (π.χ. ριζών υδροξυλίου, OH) που έχουν την ικανότητα να οξειδώνουν τους οργανικούς ρυπαντές γρήγορα και μη-επιλεκτικά.
Μηχανισμός της ετερογενούς φωτοκατάλυσης
Μηχανισμός της ετερογενούς φωτοκατάλυσης Η ακτινοβόληση ενός ημιαγώγιμου φωτοκαταλύτη με φωτόνια, ενεργοποιεί τον καταλύτη, δημιουργώντας ένα οξειδοαναγωγικό περιβάλλον μέσα σε υδάτινα ή αέρια μέσα. CB e - Reduction Reaction O + e O - - 2 2 E g Oxidation Reaction H O + h 2 HO + H + + VB h +
Ιδιότητες φωτοκαταλυτικών υλικών Ιδιότητες φωτοκαταλυτών: φωτοενεργότητα φωτοχημική σταθερότητα βιολογικά & χημικά ουδέτεροι μη τοξικοί φιλικοί προς το περιβάλλον χαμηλό κόστος Ενεργειακά επίπεδα διαφόρων ημιαγωγών. TiO 2, ZnO, WO 3,, σύνθετα υλικά review article: M. Pelaez, P. Falaras, D. D. Dionysiou et al. Appl. Catal., B 125 (2012) 331-349
Εφαρμογές ετερογενούς φωτοκατάλυσης (1)
Εφαρμογές ετερογενούς φωτοκατάλυσης (1) Κατασκευές Αυτοκινητοβιομηχανία Ιατρική Οδοποιία Καθαρισμός αέρα Γεωργία
Εφαρμογές ετερογενούς φωτοκατάλυσης (1) Πλακάκια Φρώματα Σζάμια Φειρουργεία Αντιβακτηριδιακές επιστρώσεις Ιατρική Κατασκευές Αυτοκινητοβιομηχανία Καθρέπτες Επιστρώσεις σε παρμπρίζ κλπ υστήματα κλιματισμού Επιστρώσεις - φίλτρα Καθαρισμός αέρα Γεωργία Οδοποιία Επεξεργασία υπολειμμάτων φυτοφαρμάκων Επεξεργασία υπολειμμάτων υδροπονίας Απόσμηση κτηνοτροφικών μονάδων Υανάρια σε τούνελ Καθρέπτες δρόμων Διάσπαση NO x
Εφαρμογές ετερογενούς φωτοκατάλυσης (2) Επεξεργασία αστικών και βιομηχανικών αποβλήτων Εικόνες από μια πιλοτική εγκατάσταση φωτοκαταλυτικής επεξεργασίας αστικών αποβλήτων στη Μαδρίτη, Ισπανία. Δεξιά: υλλέκτες ηλιακού φωτός και οι σωληνώσεις όπου πραγματοποιείται η φωτοκαταλυτική επεξεργασία. Αριστερά: ύστημα διαχωρισμού φωτοκαταλύτη.
Εφαρμογές ετερογενούς φωτοκατάλυσης (3) Αυτοκαθαριζόμενες επιφάνειες Εικ.4. Υωτογραφίες (Α) αυτοκαθαριζόμενων και (Β) κοινών εξωτερικών πλακιδίων. Εικ.1. Ενεργοποίηση επίστρωσης με UV. Εικ.2. Διάσπαση οργανικών ρυπαντών. Εικ.3. Απομάκρυνση ακαθαρσιών με τη βροχή. A. Fujishima, X. Zhang, C.R. Chim. 9 (2006) 750 Εικ.5. Υωτογραφία τέντας (Taiyo Kangyo Co.) με το αριστερό της τμήμα να είναι επικαλυμμένο με αυτοκαθαριζόμενη επίστρωση.
Εφαρμογές ετερογενούς φωτοκατάλυσης (4) Φωτοκαταλυτικό τσιμέντο Εικ.2. Η εκκλησία της Misericordia στην Ρώμη αποτελεί το πρώτο κτίριο που κατασκευάστηκε με φωτοκαταλυτικό τσιμέντο. Εικ.1. Η πυραμίδα του Λούβρου αποτελεί μια από τις πιο γνωστές εφαρμογές εξωτερικής επικάλυψης με TiO 2. Φωτοκαταλυτικές επιστρώσεις σε υαλοπίνακες
Αντικείμενο - Στόχοι ερευνητικής δραστηριότητας Ανάπτυξη φωτοκαταλυτικών νανοσκοπικών υλικών & επιστρώσεων Sol-gel (TEI-C) Ultrasonic spray pyrolysis (TEI-C) Solution growth (TEI-C, UoC) Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition (TEI-C) Electro-deposition (TEI-C) Χαρακτηρισμός φωτοκαταλυτικών υλικών X-ray diffraction (IESL) Scanning Electron Microscopy (TEI-C, IESL) Atomic Force Microscopy (IESL) FT-IR (IESL, TEI-C) UV-VIS (IESL, TEI-C) Raman (UoC) Μελέτη ιδιοτήτων των υλικών Φωτοκαταλυτική δράση (TEI-C) Αυτοκαθαριζόμενες ιδιότητες (TEI-C, IESL) Ηλεκτροχημική συμπεριφορά (TEI-C) Φωτοκαταλυτική παραγωγή υδρογόνου (TEI-C) Καθαρισμός αέρα (TEI-C, UoC)
Φωτοκαταλύτες σε αιώρηση
Φωτοκαταλυτικός αποχρωματισμός διαλυμάτων χρωστικών ουσιών (π.χ. μπλε του μεθυλενίου) Λάμπα υπεριώδους (λ<400nm) ή ορατού φωτός (λ>400nm) Μπλε του μεθυλενίου Φωτοκαταλυτικός αντιδραστήρας Φάσματα UV/VIS με την χαρακτηριστική κορυφή απορρόφηση του MB στα ~660nm
Φωτοκαταλυτικός αποχρωματισμός διαλυμάτων μπλε του μεθυλενίου TiΟ 2 TiΟ 2 :Ag (1-4%) TiΟ 2 :Ag / rgo Οξείδιο γραφενίου + TiO 2 / TiO 2 - Ag 120C, 24h EtOH: H 2 O rgo-tio 2 / TiO 2 -Ag
Φωτοκαταλυτικός αποχρωματισμός διαλυμάτων χρωστικών ουσιών (μπλε του μεθυλενίου) Φωτοκαταλυτικός αποχρωματισμός διαλυμάτων MB με τη χρήση TiO 2, TiO 2 :Ag και TiO 2 :Ag συζευγμένου με rgo.
Φωτοκαταλυτική αποδόμηση φαρμακευτικών ουσιών: Carbamazepine (καρβαμαζεπίνη) Καρβαμαζεπίνη Φάσμα απορρόφησης καρβαμαζεπίνης
Φωτοκαταλυτική αποδόμηση φαρμακευτικών ουσιών: Carbamazepine (καρβαμαζεπίνη) Φωτολυτική και φωτοκαταλυτική αποδόμηση καρβαμαζεπίνης με τη χρήση TiO 2 και ZnO κάτω από έκθεση σε υπεριώδες & ορατό φως. Ο ποσοτικός προσδιορισμός της καρβαμαζεπίνης πραγματοποιήθηκε με σύστημα HPLC (DAD).
Ακινητοποιημένοι φωτοκαταλύτες
Φωτοκαταλυτική αποδόμηση στεαρικού οξέος Νανοδομημένες επιστρώσεις ZnO μέσω ψεκασμού με τη χρήση υπερήχων χηματική αναπαράσταση του εκνεφωτή υπερήχων στα 2.4MHz Zn(CH 3 COO) 2 2H 2 O Corning glass υποστρώματα ~450 C για 30-120min διαφορετικοί τύποι ακροφυσίων απόσταση μεταξύ ακροφυσίου και υποστρώματος distance 5 ή 10cm
Φωτοκαταλυτική αποδόμηση στεαρικού οξέος (b) (a) (c) Υωτογραφίες SEM νανοδομών ZnO από την τεχνική USP σε γυαλί Corning και θερμοκρασία 400 o C, για 30min (a), 60min (b) και 120min (c). Χρόνοσ εναπόθεςησ Πάχοσ δομήσ (k, nm) Διάμετροσ δομήσ 30 min 30-40 nm 200-230 nm 60 min 50-60 nm 1.2-1.6 μm 120 min 50-60 nm 2.2-2.8 μm
Normalised integrated area (%) Φωτοκαταλυτική αποδόμηση στεαρικού οξέος 100 Photolysis USP ZnO @ 5cm & 30min USP ZnO @ 5cm & 60min USP ZnO @ 5cm & 120min 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 time (min) Αποδόμηση στεαρικού οξέος ως προς το χρόνο έκθεσης για δείγματα ZnO που αναπτύχθηκαν με την τεχνική USP στους 450 o C. Πηγή ακτινοβολίας, Philips HPK 125W (365nm), ~10mW/cm 2
Συνεργάτες Δρ. Γιώργος Κενανάκης Δρ. Δήμητρα Βερνάρδου Δρ. Ειρήνη Γεωργάκη Υποψήφια Διδάκτωρ Ευαγγελία Βασιλάκη Υποψήφιος Διδάκτωρ Γιάννης Βαμβασάκης Καθ. Μαρία Βαμβακάκη (ΠΚ) Καθ. Μανώλης Κουδουμάς (ΤΕΙ-Κ) Καθ. Κώστας Σαββάκης (ΤΕΙ-Κ) Καθ. Γιάννης Πούλιος (ΑΠΘ) Δρ. Γιώργος Κωνσταντινίδης (ΙΗΔΛ-ΙΤΕ) Γιάννης Στεφανάκης (ΤΕΙ-Κ)
Δημοσιεύσεις ερευνητικής δραστηριότητας Kenanakis G., Katsarakis N., ZnO nanowires on glass via chemical routes; A prospective photocatalyst for indoors applications, Journal of Environmental Chemical Engineering 2(3), 1416-1422 (2014). Georgaki I., Vasilaki E., Katsarakis N., A study on the degradation of carbamazepine and ibuprofen by TiO2 & ZnO photocatalysis upon UV/ Visible-light irradiation, American Journal of Analytical Chemistry 5(8), 518-534 (2014). Kenanakis G., Katsarakis N., Chemically grown TiO2 on glass with superior photocatalytic properties, Journal of Environmental Chemical Engineering 2(3), 1748-1755 (2014). Kenanakis G., Katsarakis N., Koudoumas E., Influence of precursor type, deposition time and doping concentration on the morphological, electrical and optical properties of ZnO and ZnO: Al thin films grown by ultrasonic spray pyrolysis, Thin Solid Films 555, 62-67 (2014). Kenanakis G., Katsarakis N., Ultrasonic Spray Pyrolysis: A facile method for the deposition of photocatalytic coatings, Materials Research Bulletin 60, 752-759 (2014). Kenanakis G., Vernardou D., Dalamagkas A., Katsarakis N., Photocatalytic and electrooxidation properties of TiO2 thin films deposited by sol-gel, Catalysis Today 240(1), 146-152 (2015). Vamvasakis J., I. Georgaki, D. Vernardou, G. Kenanakis, N. Katsarakis, Synthesis of WO3 catalytic powders: evaluation of photocatalytic activity under NUV/visible light irradiation and alkaline reaction ph, J. Sol-Gel Sci. Technol. (DOI 10.1007/s10971-015-3758-5) (2015). E. Vasilaki, I. Georgaki, D. Vernardou, M. Vamvakaki, N. Katsarakis, Ag-loaded TiO2-reduced graphene oxide nanocomposites for enhanced visible light photocatalytic activity, Applied Surface Science 353, 865-872 (2015). Ευχαριστώ για την προσοχή σας! Σο έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση», Πράξη Αρχιμήδης ΙΙΙ και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Σαμείο) και από εθνικούς πόρους (Εθνικό τρατηγικό Πλαίσιο Αναφοράς 2007-2013).