Διδακτορικός Φοιτητής
Ευαγγελία Σκλήρη

Email

sklirieva@materials.uoc.gr

Θέμα διδακτορικού

Ordered Porous Structures from Metal Oxide Nanocrystals. Synthesis, Structural Characterization and Applications in Redox Catalysis

Επιβλέπων

Αρματάς Γεράσιμος, Αναπληρωτής καθηγητής, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Επιτροπή

Αρματάς Γεράσιμος, Αναπληρωτής καθηγητής, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Βαμβακάκη Μαρία, αναπληρώτρια καθηγήτρια, ΤΕΤΥ, Παν/μιο Κρήτης

Λυκάκης Ιωάννης, Λέκτορας, Τμήμα Χημείας, ΑΠΘ

Περίληψη

Στις μέρες μας, η μόλυνση των φυσικών πηγών ύδατος με εξασθενές χρώμιο (Cr(VI)) που προέρχεται από διάφορες βιομηχανικές δραστηριότητες, όπως η χημική επιμετάλλωση, η επίστρωση μετάλλων και οι χρωστικές ουσίες, αποτελεί βασικό ζήτημα στον τομέα της περιβαλλοντικής αποκατάστασης. Το Cr(VI) είναι ιδιαίτερα τοξίκο και καρκινογόνο στοιχείο για ζωντανούς οργανισμούς, με τιμή LD50 (θανατηφόρα δόση 50%) για τον άνθρωπο 50 mg kg-1, το οποίο υπεισέρχεται εύκολα στις τροφικές αλυσίδες. Ως εκ τούτου, η εφαρμογή μιας αποτελεσματικής μεθόδου απομάκρυνσης του Cr(VI) αποτελεί αναμφισβήτητα υψηλή προτεραιότητα σε θέματα προστασίας του περιβάλλοντος και δημόσιας υγείας. Προς την κατεύθυνση αυτή, η φωτοκατάλυση με ημιαγωγούς αποτελεί μια ενδιαφέρουσα τεχνολογία χαμηλού κόστους για την απομάκρυνση του Cr(VI) χρησιμοποιώντας μόνο την ηλιακή ακτινοβολία ως πηγή ενέργειας. Στη μέθοδο αυτή, τα οξυανιόντα Cr(VI) όπως είναι το μονοσθενές HCrΟ4– και το δισθενές CrO42– θα αναχθούν στα λιγότερο τοξικά Cr(III) κατιόντα από τα διεγερεμένα ηλεκτρόνια πάνω στην επιφάνεια του καταλύτη. Ταυτόχρονα, οι οπές στην επιφάνεια του καταλύτη θα καταναλώνονται σε αντιδράσεις οξείδωσης. Τα οξείδια σπινελίου φερρίτη (MeFe2O4, όπου Me είναι ένα δισθενές μέταλλο όπως Mn2+, Co2+, Fe2+, Ni2+, Zn2+, κτλ.), λόγω των μοναδικών τους ηλεκτρονικών και μαγνητικών τους ιδιοτήτων αποτελούν μια κατηγορία πολύ υποσχόμενων υλικών για διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές όπως μαγνητικές συσκευές αποθήκευσης, μπαταρίες ιόντων λιθίου και ηλεκτροχημικοί πυκνωτές. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας σειράς μεσοπορωδών πλεγμάτων από νανοσωματίδια σπινελίου φερρίτη (MeFe2O4, όπου Me = Mn2+, Co2+, Fe2+, Ni2+, Zn2+ ) με μεγάλη εσωτερική επιφάνεια και στένη κατανομή μεγέθους πόρων, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο μαλακού εκμαγείου. Τα παρασκευασθέντα μεσοπορώδη υλικά θα μελετηθούν ως καταλύτες στη φωτοκαταλυτική αναγωγή του Cr(VI) σε υδατικά διαλύματα, κάτω από ακτινοβολία ορατού- υπεριώδους (UV-vis). Η επίδραση του pH διαλύματος, η παρουσία οργανικών ρύπων, η μορφολογία και η ηλεκτρονιακή δομή του καταλύτη, και η χημική σύσταση του πλέγματος θα αποτιμηθούν στη φωτοκαταλυτική δράση των μεσοπορωδών πλεγμάτων σπινελίου φερρίτη.

Abstract

Currently, contamination of natural water sources like rivers, lakes, streams, and groundwater with hexavalent chromium (Cr(VI)) arising from various industrial activities such as electroplating, metal finishing, and pigments, is an essential issue in environmental remediation field. Cr(VI) is a mutagenic primer and pulmonary carcinogen for living organisms, with an LD50 (lethal dose 50%) value of 50 mg kg−1, which readily invade the human food chains. Therefore, finding an effective way for remediation of Cr (VI)-contaminated solutions is undoubted of high priority in the field of environmental and health protection. Towards this goal, semiconductor photocatalysis constitutes an intriguing technology to attain low-cost sustainable detoxification of Cr (VI) aqueous solutions using just the sunlight as an energy source. In this process, Cr(VI) oxyanions such as monovalent HCrO4− and divalent CrO4 2− will be reduced to the less toxic Cr(III) cations by photoexcited electrons over a light-irradiated semiconductor catalyst. Simultaneously, the photogenerated holes on the surface of catalysts will be consumed in oxidation reactions. Spinel ferrite oxides (MeFe2O4, where Me is a divalent metal ion such as Mn2+, Co2+, Fe2+, Ni2+, Zn2+, etc.), due to their unique electronic and magnetic properties, are considered as a class of very promising materials for various technological applications (e.g., magnetic storage devices, lithium-ion batteries, electrochemical capacitors). In this study, a series of mesoporous architectures of spinel ferrite NPs with a large internal surface area and narrow pore-size distribution will be produced using a block copolymer-assisted cross-linking aggregation of colloidal NPs. The obtained mesoporous materials will be studied as catalysts in the UV–vis light irradiated reduction of Cr(VI) in water. The effect of solution pH, presence of organic pollutants and catalyst loading, and composition on the photocatalytic activity of the spinel ferrite NP assemblies will be evaluated.

facebook icon