Φωτοκαταλυτική παραγωγή Η2 με δισδιάστατο φωτοκαταλύτη g-C3N4

Photocatalytic H2 production with two-dimensional g-C3N4 photocatalyst (Αγγλική)

  1. MSc thesis
  2. ΕΛΕΥΘΕΡΙΑ ΡΩΜΑΝΙΑ
  3. Περιβαλλοντική Κατάλυση για Αντιρύπανση και Παραγωγή Καθαρής Ενέργειας (ΚΠΠΒ)
  4. 24 Σεπτεμβρίου 2023
  5. Ελληνικά
  6. 83
  7. ΤΡΑΠΑΛΗΣ ΧΡΗΣΤΟΣ
  8. ΤΡΑΠΑΛΗΣ, ΜΠΟΥΡΙΚΑΣ, ΒΑΚΡΟΣ
  9. g-C3N4, φωτοκαταλυτική παραγωγή υδρογόνου, Pt, TEOA
  10. ΚΠΠ82
  11. 1
  12. 30
  13. Κατάλογος Εικόνων / Σχημάτων Εικόνα 1: Βασικές φωτοφυσικές διεργασίες για ημιαγωγούς (SC) υπό ακτινοβολία φωτός. (Kumar et.al, 2018)...............................................................................................................6 Εικόνα 2: Χρονοδιάγραμμα των σημαντικότερων ανακαλύψεων για το g-C3N4...............13 Εικόνα 3: Δομή g-C3N4 και το μονομερές τρι-s-τριαζίνη 14 Εικόνα4: Εφαρμογές του g-C3N4....... ...............................................................................16 Εικόνα5: Σύνθεση του g-C3N4 από melem και μελανίνη.................................................17 Εικονα 6: Σχηματική αναπαράσταση της υγρής αποφλοίωσης του g- C3N4......................20 Εικόνα 7: Κατασκευή νανοφύλλων g-C3N4 από τουςMeng et.al,.......................................21 Εικόνα 8: Παρασκευή διαλυτών νανοφύλλων g-C3N4 από τους Wuet.al,.........................23 Eικόνα 9: Κατασκευή του καταλύτη 2DMoS2/g-C3N4 από τους Li et.al,...........................26 Eικόνα 10: Κατασκευή του καταλύτη Ni-Mo/g-C3N4 από τους Hanet.al,..........................28 Εικόνα 11: Παραγωγή τριαιθανολαμίνης από οξείδιο αιθυλενίου με υδατικό διάλυμα αμμωνίας..............................................................................................................................47 Εικόνα 12: Σωληνωτός φούρνος Carbolite CWF 1100.......................................................53 Εικόνα 13: Εικόνες SEM του bulk και του θερμικά και χημικά και αποφλοιωμένου g-C3N4.....................................................................................................................................57 Εικόνα 14: Πειραματική διάταξη μέτρησης φωτοκαταλυτικής απελευθέρωσης Υδρογόνου...........................................................................................................................61 Σχήμα 1: (α) Φυσική φωτοσύνθεση (β) τεχνητή φωτοσύνθεση μέσω του διαχωρισμού νερού και αναγωγή του CO2, και (γ) φωτοδιάσπαση των υδατικών οργανικών ρύπων (Kumar et.al, 2018)..............................................................................................................5 Σχήμα 2: Ενεργειακό χάσμα μεταξύ ζωνών και ενέργειες στα άκρα των ζωνών διάφορων ημιαγωγών. (Kumar et.al, 2018)............................................................................................8 Σχήμα 3: (α) Αριθμός ετήσεων δημοσιεύσεων και (β) αριθμός ετήσιων ετεροαναφορών σχετικά με το g-C3N4 από το 2000 ως το 2019...................................................................12 Σχήμα 4: Βασική αρχή της φωτοκαταλυτικής διάσπασης του H2O σε μια επιφάνεια φωτοκαταλύτη -ημιαγωγού. (Chen et.al, 2017)..................................................................34 Σχήμα 5: (α) Η φωτοκαταλυτική διάσπαση του H2O περιλαμβάνει (i) απορρόφηση φωτός, (ii) μετανάστευση φορτίου, (iii) αντίδραση οξειδοαναγωγής. (β) Ενεργειακό διάγραμμα διέγερσης ενός σταδίου κατά την απορρόφηση φωτός ( Wang et.al, 2019)…………....35 Σχήμα 6: Σχηματικό διάγραμμα διαφορετικών συστημάτων για τη συνολική διάσπαση του νερού, (α) διέγερση ενός σταδίου, (β) διέγερση δύο σταδίων με χρήση υδατικού οξειδοαναγωγικού ενδιαμέσου, (γ) διέγερση δύο σταδίων υποβοηθούμενη από τον διαμεσολαβητή στερεάς κατάστασης (Chen et.al, 2018)...................................................36 Σχήμα 7: Σχηματική αναπαράσταση κυψελών διάσπασης νερού PEC: (a) της φωτοανόδου, (c) της φωτοκαθόδου, (e) κυψελών PEC σχήματος Ζ, και τα αντίστοιχα διαγράμματα ενέργειας με περιγραφή των μηχανισμών (b), (d) και (f) (Park et. al 2019)………………………………………………………………………….………..…38 Σχήμα8: Σχηματική αναπαράσταση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής που λαμβάνουν χώρα σε έναν φωτοκαταλύτη αφού δημιουργηθούν τα ζεύγη e-/h+ υπό ακτινοβολία φωτός με ενέργεια μεγαλύτερη από το Eg του ημιαγωγού. Διάσπαση νερού (αριστερές αντιδράσεις) και οξείδωση οξυγονούχων (CxHyOz) υπό αναερόβιες συνθήκες. Το ορθογώνιο υπογραμμίζει τη διαδικασία της φωτοαναμόρφωσης (Christoforidis 2017)....................................................................................................................................40 Σχήμα 9: Διάγραμμα των καταλληλότερων θυσιαστικών αντιδραστηρίων πάνω σε διαφορετικούς φωτοκαταλύτες (Wang et.al 2017)...........................................................42 Σχήμα 10:Απόδοση της φωτοκαταλυτικής παραγωγής H2 g-C3N4, χρησιμοποιόντας διαφόρους θυσιαστικούς παράγοντες (Kumaravel et.al, 2019).........................................49 Σχήμα 11: Απόδοση της φωτοκαταλυτικής παραγωγής H2 του CdS με χρήση διαφόρων θυσιαστικών παραγόντων (Kumaravel et.al, 2019).............................................................50 Σχήμα 12: Φωτοκαταλυτική δραστικότητα παραγωγής Η2 του CN-bulk-Pt-A, CN-bulk-Pt-B, CNS-Pt-B και CNS-Pt-A σε 10 vol% TEOA υπό την ακτινοβολία λυχνίας Xe 350 W (Liua et.al, 2018).................................................................................................................51 Σχήμα 13: XRD των δειγμάτων σύνθεσης (bulk), και αποφλοιωμένων (chem, Ex-1, Ex-2)…………………………………………………………………………………………..55 Σχήμα 14: Φάσμα Raman των δειγμάτων του Bulk, Εx-1, Εx-2 και chem……………....56 Σχήμα 15: Φάσματα FT-IR του Bulk και των θερμικά και χημικά αποφλοιωμένων g-C3N4……………………………………………………………………………………….60 Σχήμα 16: Συγκέντρωση του Η2 υπό υπεριώδη ακτινοβολία ανάλογα με το χρόνο…......64 Σχήμα 17: Ρυθμοί απελευθέρωσης Η2 των δειγμάτων σε μmolg-1h-1.................................64 Κατάλογος Πινάκων Πίνακας Π10.1:Ρυθμός απελευθέρωσης H2 υπό ακτινοβολία ορατού φωτός υλικών με βάση το g-C3N4 (Papailias et.al, 2020…………………………………………..…..……..63 Πίνακας Π10.2: Ρυθμός απελευθέρωσης H2 υπό ακτινοβολία υπεριώδους φωτός υλικών με βάση το g-C3N4 ………………………………………………………………………..63


    • Περίληψη

      Στη διπλωματική εργασία μελετήθηκε η φωτοκαταλυτική παραγωγήH2 με ένα πολλα υποσχόμενο φωτοκαταλύτη, το γραφιτικό νιτρίδιο του άνθρακα(g-C3N4). Αρχικάέγινε αναφορά στους ημιαγωγούς που λαμβάνουν μέρος στις φωτοχημικές αντιδράσεις και στη συνέχεια η δομή και τις ιδιότητες του γραφιτικού νιτριδίου (g-C3N4). Περιγράφηκε η σύνθεση του, τα μονομερή από τα οποία παρασκευάζεται και τα χαρακτηριστικά τα οποία το κάνουν να ξεχωρίζει, τις εφαρμογές του και τις μεθδους βελτίωσης του g-C3N4 ως καταλύτη. Ιδιαίτερη αναφορά έγινε στη φωτοκαταλυτική παραγωγή υδρογόνου με g- C3N4, στη βελτιώση της απόδοσή της και τις στρατηγικές που έχουν χρησιμοποίηθεί, στη χρήση θυσιαστικού παράγοντα και συγκαταλύτη.

      Έγινε σύνθεση χύδην (bulk) g-C3N4, με θερμικό πολυμερισμό της μελαμίνης και στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε θερμική και χημική αποφλοίωση. Τα δείγματα του χύδην (bulk), αλλά και των αποφλοιωμένων με χημικές (Chem) και θερμικές διεργασίες (Ex-1, Ex-2) g-C3N4,  χαρακτηρίστηκαν με φυσικοχημικές μεθόδους όπως η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD),η φασματοσκοπία FT-IR, η φασματοσκοπία RAMAN, και η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM). Διαπιστώθηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ του χύδης και των αποφλοιωμένων δειγμάτων οι οποίες αποδόθηκαν στην αύξηση της ειδικής επιφάνειας με την αποφλοίωση.

      Σε όλους του φωτοκαταλύτες g-C3N4, έγινε φωτοεναπόθεση νανοσωματιδίων Pt σε κ.β. συγκέντρωση ~3%. Οι φωτοκαταλύτες εξετάστηκαν στην φωτοκαταλυτική παραγωγή υδρογόνου, με χρήση UV-Vis ακτινοβολίας με συγκαταλύτη την Pt και ΤΕΟΑ ως θυσιαστικό παράγοντα. Ο χύδην φωτοκαταλύτης έδειξε μικρή παραγωγή H2, η οποία αποδόθηκε στην μικρή ειδική επιφάνεια του φωτοκαταλύτη. Στον χημικά αποφλοιωμένος  φωτοκαταλύτη  δεν  παρατηρήθηκε έκλυση H2. Το γεγονός αποδόθηκε στην ύπαρξη επιφανειακών λειτουργικών ομάδων, λόγω της χημικης αποφλοίωσης οι οποίες δρουν ως κέντρα ανασυνδυασμού των φορτίων.Οι θερμικά αποφλοιωμένοι φωτοκαταλύτες, έδειξαν σημαντική αύξηση της έκλυσης του Η2 σε σχέση με τον χύδην φωτοκαταλύτη, η οποία αποδόθηκε στην απουσία επιφανειακών λειτουργικών ομάδων  καθώς και στην αυξημένη ειδική επιφάνεια και το πορώδες λόγω της αποφλοίωσης.

    • Abstract

      In the thesis, the photocatalytic production of H2 was studied with a very promising photocatalyst, graphitic carbon nitride (g-C3N4). First, reference was made to the semiconductors that take part in photochemical reactions, and then the structure and properties of graphitic nitride (g-C3N4). Its composition, the monomers from which it is prepared and the characteristics that make it stand out, its applications and methods for improving as a catalyst were described. Special reference was made to the photocatalytic production of hydrogen with g-C3N4, its efficiency improvement and the strategies that have been used, the use of sacrificial agent and cocatalyst

      Bulk g-C3N4was synthesized, by thermal polymerization of melamine, followed by thermal and chemical exfoliation. The bulk samples, as well as those exfoliated by chemical (Chem) and thermal processes (Ex-1, Ex-2) g-C3N4, were characterized by physicochemical methods such as X-ray diffraction (XRD), FT-IR spectroscopy, spectroscopy RAMAN, and scanning electron microscopy (SEM). Significant differences were found between bulk and exfoliated samples attributed to the increase in specific surface area with exfoliation.

      On all g-C3N4photocatalysts, Pt nanoparticles were photodeposited at  concentration ~3%wt. The photocatalysts were tested in photocatalytic hydrogen production, using UV-Vis irradiation with Pt cocatalyst and TEOA as sacrificial agent. The bulk photocatalyst showed little H2 production, which was attributed to the small specific surface area of the photocatalyst. No H2 evolution was observed in the chemically exfoliated photocatalyst. The fact was attributed to the existence of surface functional groups, due to chemical exfoliation, which act as charge recombination centers. The thermally exfoliated photocatalysts showed a significant increase in H2 release compared to the bulk photocatalyst, which was attributed to the absence of surface functional groups as and in the increased specific surface area and porosity due to exfoliation.

  15. Hellenic Open University
  16. Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 Διεθνές