Modyfikowane perowskity tytanowe jako fotokatalizatory rozkładu

Modyfikowane perowskity tytanowe jako fotokatalizatory rozkładu

Nr wniosku: 156028, nr raportu: 5979. Kierownik (z rap.): dr Marcin Włodarczak
Modyfikowane perowskity tytanowe jako fotokatalizatory rozkładu wody
W obliczu wciąż rosnącego zapotrzebowania na energię, poszukiwanie nowych jej źródeł jest
koniecznością. Należy przy tym uwzględnić zarówno aspekty ekonomiczne jak i ekologiczne. Energia
powinna być tania, ogólnie dostępna i przyjazna dla środowiska. Cechy te spełnia z nawiązką wodór –
potencjalne paliwo i źródło energii przyszłości. Technologie zastosowania najlżejszego pierwiastka mające
na celu uczynienie z niego paliwa są już stosunkowo dobrze opracowane – samochody na wodór,
w niektórych przynajmniej krajach, pojawiają się na drogach. Problemem jest nadal otrzymywanie wodoru.
Obecne metody bazują głównie na paliwach kopalnych. Przy coraz bardziej topniejących zasobach węgla,
ropy naftowej i gazu, konieczne jest znalezienie alternatywnej drogi. W tym miejscu pojawia się możliwość
zastosowania fotokatalizy i otrzymanie wodoru z substratu, którego mamy pod dostatkiem – wody.
Do najlepiej poznanych fotokalizatorów należy bez wątpienia tlenek tytanu(IV). TiO2 karierę
rozpoczął w roku 1972, gdy Fujishima i Honda badali jego właściwości. Obok niekwestionowanych zalet,
jak choćby wydajność w reakcjach fotokatalitycznych, tlenek ten ma jedną wadę – pracuje głównie
w zakresie promieniowania UV. Prowadzono i prowadzi się nadal wiele badań mających na celu
opracowanie nowych układów, takich, aby do ich działania wystarczyło promieniowanie widzialne,
najszerzej dostępne na Ziemi. Materiałami takimi mogą być perowskity tytanowe.
W pracy skupiono się na perowskitach zawierających głównie, obok tytanu, metale takie jak wapń,
stront i bar. Dodatkowo otrzymano również perowskity mieszane, zawierające kombinacje wymienionych
metali w różnych proporcjach. W miejsca kationów na stopniu utlenienia +II do struktury wprowadzono
również miedź, cynę i nikiel. Jako prekursorów używano: dla tytanu – izopropanolanu tytanu(IV), dla
pozostałych metali – odpowiednich octanów lub, zdecydowanie rzadziej, wodorotlenków. Perowskity
syntezowano na dwóch drogach: alkalicznej i kwasowej. W pierwszym przypadku środowiskiem reakcji był
wodny roztwór tetrametylohydroksyaminy. Proces prowadzono w 80 °C. Optymalizacja stosunków
substratów do rozpuszczalnika pozwoliła w kilku przypadkach na otrzymanie struktury perowskitu już
bezpośrednio po syntezie – materiał nie wymagał kalcynacji, co zdecydowanie polepsza ekonomiczny obraz
procesu. Otrzymane tą drogą materiały charakteryzowały się wyraźną, wręcz wzorcową strukturą
krystaliczną typu perowskitu, dużymi wartościami powierzchni właściwej (kilkanaście m2/g) w stosunku do
materiałów otrzymywanych tradycyjnymi metodami ceramicznymi (kilka m2/g) oraz wysoką aktywnością
fotokatalityczną. W przypadku syntezy kwasowej środowiskiem był lodowaty kwas octowy, a proces
prowadzono w 60 °C. Synteza ta należy do procesów zol-żel. W trakcie procesu do roztworu wprowadzano
pewną, określoną ilość wody, w celu umożliwienia hydrolizy alkoholanu. Optymalizacja ilości wody jak
i stężeń odpowiednich substratów względem kwasu octowego umożliwiła otrzymanie krótkich czasów
żelowania – od kilkunastu godzin do maksymalnie dwóch dni. Dodatkowo, opracowana synteza daje
ogromne możliwości wprowadzania modyfikacji już w początkowych etapach procesu. Otrzymano np. serie
perowskitów wapniowo-barowych, strontowo-barowych, barowo-niklowych czy barowo-miedziowych
zawierających od ułamków procenta do kilkunastu procent molowych drugiego, obok baru, metalu. Co
więcej, badania XRD potwierdziły, że manipulując tylko wzajemnym stosunkiem prekursorów np. baru
i strontu można wpływać na odległości międzypłaszczyznowe w otrzymanym perowskicie.
Badanie właściwości fotokatalitycznych opierało się głównie na dwóch reakcjach testowych –
rozkładzie wody w obecności metanolu (sacrificial agent – mówiąc najprościej utrudnia rekombinację
produktów w reakcji rozkładu wody) oraz rozkładzie oranżu metylowego (badanie zdolności do rozkładu
zanieczyszczeń organicznych). Jako źródło światła służyły promienniki Osram Vitalux (widmo
promieniowania zbliżone do światła słonecznego). Otrzymane materiały charakteryzowały się wyższą
aktywnością w obydwu reakcjach testowych niż ich odpowiedniki otrzymywane na drodze klasycznych
metod ceramicznych.