Name: Wpływ międzyfazowych wiązań chemicznych w kompozytach TiO2-SiO 2 na ich fotokatalityczną redukcję NOx (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-07-04T15:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 47 s
Description: Poznaj metodę syntezy kompozytów TiO₂-SiO₂ z wiązaniami Ti-O-Si do fotokatalitycznej redukcji NOx. Technika sol-gel pozwala ocenić wpływ powierzchniowego wsparcia na efektywność katalizatorów w ochronie środowiska.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

Autorzy dziękują za dofinansowanie ze strony Brytyjskiej Rady ds. Badań Inżynieryjnych i Fizycznych (Grant Ref: EP/M003299/1) oraz Międzynarodowego Wspólnego Projektu Badawczego Fundacji Nauk Przyrodniczych Chin (nr 51461135005) (EPSRC-NSFC).

1. Synteza kompozytów TiO2-SiO2
<ol>
	<li>Próbki na bazie komercyjnego kwarcu 
	UWAGA: Kwarc o rozmiarze cząstek w zakresie 20 - 100 µm otrzymano poprzez mielenie kulowe komercyjnego kwarcu przez 15 min i przesiewanie. Proszki zmodyfikowano następnie TiO2 dwiema różnymi metodami.
	<ol>
		<li>QT1
		<ol>
			<li>Przygotować 10% roztwór butoksydku tytanu(IV) (TBOT; 97%) w etanolu jako prekursor TiO29, rozpuszczając TBOT (2,6 mL) w etanolu (29,6 mL).</li>
			<li>Zawiesić 3 g proszku kwarcowego w 30 g świeżo przygotowanego roztworu prekursora tytanu przy ciągłym mieszaniu.</li>
			<li>Dodać 0,3 mL kwasu solnego (32%). Mieszać otrzymaną zawiesinę przez 5 min.</li>
			<li>Dodać 30 mL wody dejonizowanej i mieszać mieszaninę nieprzerwanie przez noc.</li>
			<li>Przenieść całą lepka zawiesinę do czalki Petriego i przechowywać w warunkach otoczenia aż do całkowitego odparowania rozpuszczalnika.</li>
			<li>Przemyć potraktowany kwarc kilka razy wodą dejonizowaną, a następnie suszyć w temperaturze 90 °C przez noc.</li>
			<li>Poddać obróbce termicznej w temperaturze 400 °C przez 20 h.</li>
			<li>Schłodzić proszki w powietrzu i ponownie przesiać, aby zebrać cząstki większe niż 20 µm. Miało to na celu oddzielenie zmodyfikowanego kwarcu od słabo związanej lub niezwiązanej TiO2.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>QT2 
		UWAGA: Osadzić komercyjny fotokatalizator (PC105) na kwarcu poprzez zastosowanie spoiwa z żelu krzemionkowego otrzymanego z ortokrzemianu tetraetylu (TEOS) w następujący sposób.
		<ol>
			<li>Przygotować roztwór macierzysty TEOS poprzez rozpuszczenie TEOS (23,2 mL) w etanolu (29,2 mL). Następnie dodać wodę dejonizowaną (7,2 mL) i HCl (0,4 mL; 3,6% wag.), aby uzyskać końcową mieszaninę etanol:woda:HCl (stosunek molowy 1:0,84:0,78 x 10-3). Mieszać mieszaninę przez 10 dni w temperaturze pokojowej.</li>
			<li>Dodać odpowiednie objętości otrzymanego roztworu do 100 mL etanolu, w którym zawieszono 0,2 g TiO2, aby uzyskać stosunek TiO2:TEOS wynoszący 1:1.</li>
			<li>Mieszać delikatnie w temperaturze pokojowej przez noc, a następnie dodawać zawiesinę kroplami do 2 g kwarcu przy ciągłym mieszaniu w temperaturze 80 °C pod zmniejszonym ciśnieniem.</li>
			<li>Suszyć otrzymane proszki w temperaturze 90 °C przez noc, a następnie poddać obróbce termicznej w temperaturze 200 °C przez 4 h.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
	<li>Próbki na bazie syntetycznej krzemionki
	<ol>
		<li>ST1 
		UWAGA: Osadzić nanocząstki TiO2 na powierzchniach wytrąconej SiO2 przygotowanej metodą sol-gel z kontrolowaną hydrolizą.
		<ol>
			<li>Zsyntetyzować monodyspersyjne mikrosfery krzemionki metodą Stoebera-Bohna-Finka14.</li>
			<li>Rozpuścić TEOS (5 mL) w etanolu (40 mL) i mieszać przez 30 min (roztwór A).</li>
			<li>Przygotować roztwór B poprzez zmieszanie roztworu amoniaku (8 mL; 25% wag.) z wodą dejonizowaną (30 mL) i etanolem (18 mL) przy ciągłym mieszaniu przez 30 min.</li>
			<li>Szybko dodać cały roztwór A do roztworu B i mieszać w temperaturze pokojowej przez 3 h.</li>
			<li>Zebrać otrzymaną SiO2 za pomocą wirowania (1 252 x g). Przemyć 3 razy absolutnym etanolem i suszyć w temperaturze 105 °C przez 48 h.</li>
			<li>Przygotować zawiesinę z otrzymanej SiO2, zawieszając 1 g w 30 mL etanolu w kąpieli ultradźwiękowej przez 10 min. Mieszać zawiesinę przez kolejne 30 min.</li>
			<li>Ostrożnie dodać 1 mL TBOT (97%) do etanolowej zawiesiny SiO2.</li>
			<li>Dojrzewać mieszaninę w temperaturze pokojowej pod mieszaniem przez 24 h.</li>
			<li>Dodać wodę dejonizowaną (2 mL) i etanol (8 mL), a następnie mieszać mieszaninę przez kolejne 2 h.</li>
			<li>Zebrać zmodyfikowany proszek przez wirowanie i przemyć 3 razy etanolem. Suszyć w temperaturze 105 °C przez 48 h, a następnie poddać obróbce termicznej w temperaturze 500 °C przez 3 h. 
			UWAGA: T1: Dla porównania, TiO2 przygotowano tą samą metodą, ale bez dodatku krzemionki.</li>
		</ol>
		</li>
		<li>ST2 
		UWAGA: W tych próbkach zsyntetyzować homogeniczny żel o stosunku molowym SiO2/TiO2 wynoszącym 0,25 z mieszanin stechiometrycznych ortokrzemianu tetraetylu (TEOS) i izopropoksydku tytanu (TTIP) jako prekursorów Si i Ti odpowiednio, w następujący sposób.
		<ol>
			<li>Dodać wymaganą ilość TEOS (0,89 mL) kroplami do mieszaniny etanol:woda:HCl (73,6 mL; stosunek molowy 1:0,84:0,78 x 10-3).</li>
			<li>Mieszać w temperaturze pokojowej przez 1 h.</li>
			<li>Dodać pożądaną ilość TTIP (4,74 mL) i mieszać mieszaninę dalej w temperaturze pokojowej przez noc.</li>
			<li>Osiągnąć konwersję sol-żel poprzez mieszanie w temperaturze 80 °C przez 1 h.</li>
			<li>Poddać otrzymany żel obróbce termicznej w następujący sposób: suszenie przez noc w temperaturze 90 °C, 450 °C przez 5 h oraz 500 °C przez 5 h. 
			UWAGA: T2: Czysty TiO2 przygotowano również tą samą metodą sol-gel, ale bez dodatku TEOS.</li>
		</ol>
		</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. Charakterystyka
<ol>
	<li>Zarejestruj widma IR za pomocą spektrofotometru wyposażonego w UATR (diamentowy odbicie pojedyncze)15.</li>
	<li>Uzyskaj dyfraktogramy rentgenowskie (XRD) przy użyciu analitycznego dyfraktometru PAN wyposażonego w źródło promieniowania rentgenowskiego CuKa1 1,54 Å16.</li>
	<li>Przeanalizuj morfologię próbek za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), wyposażonej w analizator ED X-ray oraz detektor BSE z napięciem roboczym w zakresie 10 - 20 kV. Wykorzystaj energodypersyjną analizę rentgenowską i zarejestruj obrazy za pomocą cyfrowego systemu akwizycji obrazu.</li>
	<li>Przeprowadź transmisyjną mikroskopię elektronową (TEM) na mikroskopie pracującym przy napięciu przyspieszającym 200 kV. Zarejestruj obrazy za pomocą kamery.</li>
	<li>Zarejestruj widma dyfuzyjnego odbicia UV-Vis próbek przy użyciu spektrofotometru UV-Vis wyposażonego w sprzęgacz światłowodowy. 
	Jako wzorca w zakresie od 250 do 600 nm zastosuj siarczan baru. Przekształć uzyskane widma odbicia w widma absorpcji pozornej, korzystając z funkcji Kubelki−Munka F (R∞) = (1 − R∞)2/2R∞17.</li>
</ol>
3. Test wydajności fotokatalitycznej
<ol>
	<li>Przetestuj aktywność fotokatalityczną przygotowanych materiałów za pomocą testu usuwania NOx z zanieczyszczonego powietrza18.
	<ol>
		<li>W tym celu przygotuj układ do testów oczyszczania powietrza (patrz Rysunek 1), składający się z dopływów gazu, nawilżacza (2), kontrolerów przepływu gazu (1), reaktora fotokatalitycznego (3), źródła światła UV(A) (4) oraz analizatora NOx (5). Jako gazy zasilające wykorzystano NO (100 ppm) w N2 oraz powietrze syntetyczne (BOC).</li>
		<li>Użyj masowych kontrolerów przepływu (1), aby dostarczyć NO w stężeniu 1 ppmv (0,5 ppmv dla próbek ST1 i T1) oraz wilgotność względną na poziomie ok. 40%, potwierdzoną higrometrem Rotronic hygropalm, do reaktora przepływu laminarnego (3) przy natężeniu przepływu objętościowego 5 x 10-5 m3*s-1 (1,675 x 10-5 m3*s-1 w przypadku próbek ST1 i T1).</li>
		<li>Zbuduj fotoreaktor z PMMA (polimetakrylanu metylu) i pokryj go szkłem borokrzemianowym. Umieść go pod wylotem symulatora słonecznego SS0.5 kW, 500 W z pełnym odbiciem, wyposażonego w filtr 1.5 AM, aby zapewnić, że próbka testowa (6) otrzymywała natężenie światła 10 Wm-2 przy λ &lt;420 nm, mierzone szerokopasmowym detektorem termopilowym.</li>
		<li>Monitoruj stężenia NO, NO2 oraz całkowite NOx w wylotowym strumieniu gazu za pomocą analizatora NO-NO2-NOx.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
<img alt="Schemat przepływu gazów dla syntetycznego powietrza i NO w analizie N2. Układ spektroskopowy monitoruje emisje." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig1.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1: Układ doświadczalny wykorzystany do testów fotokatalitycznych: (1) kontrolery przepływu masy (2) nawilżacz (3) reaktor fotokatalityczny (4) źródło światła UV(A) (5) analizator NOx (6) próbka testowa (7) oraz (8) zawory i (9) wylot strumienia gazu. <a href="http://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
<ol start="2">
	<li>Przygotować próbki testowe, prasując 0,8 g materiału (0,3 g w przypadku próbek ST1 i T1) w prostokątnym uchwycie z PMMA (wysokość 0,2 cm, szerokość 3 cm i długość 8 cm).
	<ol>
		<li>Powstałe brykiety o geometrycznej powierzchni 2,4 × 10−3 m2 naświetlać przez noc promieniowaniem UV (320 nm), aby usunąć z ich powierzchni wszelkie zanieczyszczenia organiczne.</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

<ol><li>Folli, A., et al. <a target="_blank" href="http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/j.1551-2916.2010.03838.x/abstract">Understanding TiO2 Surface Chemistry to Control and Modulate Photocatalytic Performances.</a> J Am Ceram Soc. 93 (10), 3360-3369 (2010).</li>
<li>Wang, F. Z., Yang, L., Sun, G. X., Guan, L. Y., Hu, S. G. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0950061814003900">The Hierarchical Porous Structure of Substrate Enhanced Photocatalytic Activity of TiO2/Cementitious Materials.</a> Constr Build Mater. 64, 488-495 (2014).</li>
<li>Fateh, R., Dillert, R., Bahnemann, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Preparation+and+Characterization+of+Transparent+Hydrophilic+Photocatalytic+TiO2%2FSiO2+Thin+Films+on+Polycarbonate%5BTitle%5D)+AND+%22Langmuir%22%5BJournal%5D)">Preparation and Characterization of Transparent Hydrophilic Photocatalytic TiO2/SiO2 Thin Films on Polycarbonate.</a> Langmuir. 29 (11), 3730-3739 (2013).</li>
<li>Dillert, R., Engel, A., Grosse, J., Lindner, P., Bahnemann, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Light+Intensity+Dependence+of+the+Kinetics+of+the+Photocatalytic+Oxidation+of+Nitrogen%28II%29+Oxide+at+the+Surface+of+TiO2%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Chem+Chem+Phys%22%5BJournal%5D)">Light Intensity Dependence of the Kinetics of the Photocatalytic Oxidation of Nitrogen(II) Oxide at the Surface of TiO2.</a> Phys Chem Chem Phys. 15, 20876-20886 (2013).</li>
<li>Shi, H. B., Magaye, R., Castranova, V., Zhao, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Titanium+Dioxide+Nanoparticles%3A+A+Review+of+Current+Toxicological+Data%5BTitle%5D)+AND+%22Part+Fibre+Toxicol%22%5BJournal%5D)">Titanium Dioxide Nanoparticles: A Review of Current Toxicological Data.</a> Part Fibre Toxicol. 10, (2013).</li>
<li>Freitag, J., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp5108069">Nitrogen(II) Oxide Charge Transfer Complexes on TiO2: A New Source for Visible-Light Activity.</a> J Phys Chem C. 119 (9), 4488-4501 (2015).</li>
<li>Ma, J. Z., Wu, H. M., Liu, Y. C., He, H. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp500116n">Photocatalytic Removal of NOx over Visible Light Responsive Oxygen-Deficient TiO2.</a> J Phys Chem C. 118 (14), 7434-7441 (2014).</li>
<li>Mendoza, C., Valle, A., Castellote, M., Bahamonde, A., Faraldos, M. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0926337314006134">TiO2 and TiO2-SiO2 Coated Cement: Comparison of Mechanic and Photocatalytic Properties.</a> Appl Catal B-Environ. 178, 155-164 (2015).</li>
<li>Kamaruddin, S., Stephan, D. <a target="_blank" href="https://link.springer.com/article/10.1007/s11270-014-1948-3">Sol-gel Mediated Coating and Characterization of Photocatalytic Sand and Fumed Silica for Environmental Remediation.</a> Water Air Soil Poll. 225, 1948(2014).</li>
<li>Bloh, J. Z., Folli, A., Macphee, D. E. <a target="_blank" href="http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2014/RA/c4ra07916g">Photocatalytic NOx Abatement: Why the Selectivity Matters.</a> Rsc Adv. 4, (2014).</li>
<li>Macphee, D. E., Folli, A. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0008884615301150">Photocatalytic Concretes - the Interface Between Photocatalysis and Cement Chemistry.</a> Cement Concrete Res. 85, 48-54 (2016).</li>
<li>Yang, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433216318918">The Influence of Zeolites Fly Ash Bead/TiO2 Composite Material Surface Morphologies on Their Adsorption and Photocatalytic Performance.</a> Appl Surf Sci. 392, 687-696 (2017).</li>
<li>Pinho, L., Elhaddad, F., Facio, D. S., Mosquera, M. J. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433212018831">A Novel TiO2-SiO2 Nanocomposite Converts a Very Friable Stone into a Self-Cleaning Building Material.</a> Appl Surf Sci. 275, 389-396 (2013).</li>
<li>Stöber, W., Fink, A., Bohn, E. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0021979768902725">Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in Micron Size Range.</a> J Colloid Interf Sci. 26 (1), 62-69 (1968).</li>
<li>Yamashita, H., et al. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jp981343a">Characterization of Titanium-Silicon Binary Oxide Catalysts Prepared by the Sol-Gel Method and Their Photocatalytic Reactivity for The Liquid-Phase Oxidation of 1-Octanol.</a> J Phys Chem B. 102 (30), 5870-5875 (1998).</li>
<li>Tokarský, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894713002222">A Low-Cost Photoactive Composite Quartz Sand/TiO2.</a> Chem Eng J. 222, 488-497 (2013).</li>
<li>Beranek, R., Kisch, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tuning+the+optical+and+photoelectrochemical+properties+of+surface-modified+TiO2%5BTitle%5D)+AND+%22Photochem+Photobiol+Sci%22%5BJournal%5D)">Tuning the optical and photoelectrochemical properties of surface-modified TiO2.</a> Photochem Photobiol Sci. 7 (1), 40-48 (2008).</li>
<li>Kisch, H., Bahnemann, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Best+Practice+in+Photocatalysis%3A+Comparing+Rates+or+Apparent+Quantum+Yields%3F%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+Lett%22%5BJournal%5D)">Best Practice in Photocatalysis: Comparing Rates or Apparent Quantum Yields?</a> J Phys Chem Lett. 6 (10), 1907-1910 (2015).</li>
</ol>

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Rysunek 8 pokazuje dość istotne różnice w wydajnościach fotonicznych dla NO dla każdego z materiałów fotokatalitycznych. Zalety osadzania fotokatalizatora w celu zwiększenia dostępności powierzchni reaktywnej są obecnie dobrze udokumentowane i warto zwrócić uwagę na różnicę między wydajnościami fotonicznymi dla utleniania NO zmierzoną dla PC105 a dla PC105 osadzonego na traktowanym kwarcu (QT2). ξ NO (QT2) zmierzono na poziomie 73% wartości dla PC105, mimo że QT2 posiadało jedynie 6,5% zawartości TiO2. Wyraźnie widać, że poprawa aktywności w systemach osadzonych jest znacząca, jednak należy zachować ostrożność przy interpretacji pomiarów wykazujących istotne różnice morfologiczne.
Kluczową cechą systemu testowego do fotokatalizy, która może wpływać na pomiar, jest tekstura powierzchni próbki umieszczonej w reaktorze fotokatalitycznym. Wpływa ona na efektywną powierzchnię właściwą. Obliczanie ξ obejmuje składnik powierzchniowy, lecz jest to dwuwymiarowa powierzchnia oświetlenia zdefiniowana przez uchwyt do próbek w reaktorze. Rozkład wielkości cząstek proszków TiO2, tj. PC105, T1 i T2, znacznie różni się od kompozytów, w których „proszek” TiO2 jest osadzony na SiO2 o średnicy w zakresie 0,4-50 μm. Oznacza to, że tekstury powierzchni fotokatalizatorów są bardzo zróżnicowane i spodziewa się, że wpłyną one na zgłoszone wydajności fotoniczne. Wpływa to również na charakterystykę przepływu w reaktorze. Im bardziej chropowata tekstura, wynikająca z charakterystyki upakowania, tym większe prawdopodobieństwo zaburzenia wymaganego laminarnym reżimu przepływu. Oczekuje się, że wpłynie to na szybkość dyfuzji cząsteczek gazu do powierzchni, a w konsekwencji na pomiar wydajności fotonicznej.
W konsekwencji tych efektów, najbardziej użyteczne porównanie typów fotokatalizatorów musi opierać się na właściwościach wynikających z pomiarów przeprowadzonych na poszczególnych katalizatorach. W niniejszym badaniu w dalszej dyskusji wykorzystano selektywność względem azotanów, która opiera się na wartościach ξ NO oraz ξ NO2 (Równanie 10), zmierzonych dla tej samej próbki.
<img alt="Równanie selektywności reakcji chemicznej S=ξNOx/ξNO, wzór w badaniu równań chemicznych." src="/files/ftp_upload/56070/56070eq3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 3">(10)
<img alt="Wykres słupkowy przedstawiający procentową selektywność dla różnych związków: Q, PC105, T1, T2, QT1, QT2." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig9.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 9"> 
Rysunek 9: Selektywność w kierunku całkowitego usunięcia NOx, t.j., selektywność względem azotanów, zarejestrowana dla różnych TiO2 oraz TiO2-SiO2 Proszki kompozytowe. Systemy bezpośrednio porównywalne oznaczono tymi samymi symbolami, wspieranymi kontra pary nieobsługiwane <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig9large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej figury.</a>
Czynniki kontrolujące selektywność w stosunku do azotanów wydają się być złożone, a istotne zmienne obejmują polimorfizm TiO2, stan defektowy, dostępność wody itp.7, jednak obecnie można również rozważyć rolę wiązania podłoża, które często uznaje się za korzystne dla wydajności fotokatalitycznej. W związku z tym korzystne jest omówienie różnic w selektywności azotanów pomiędzy systemami niewiązanymi a wiązanymi, t.j. samodzielnym fotokatalizatorem kontra kompozytami fotokatalizator-nośnik, np. PC105 kontra QT2; gdzie QT2 reprezentuje PC105 osadzony w powłoce krzemianowej na kwarcu. Różnice w selektywności azotanów zestawiono w Tabeli 1.
<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Fotokatalizator</td>
			<td>Nośnik fotokatalizatora</td>
			<td>Selektywność (%); (względny spadek selektywności (%))</td>
			<td>stosunek pól powierzchni piku FTIR; (Ti-O-Si) /SiO2</td>
			<td>centrum piku Ti-O-Si (cm⁻¹)-1)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PC105</td>
			<td>QT2</td>
			<td>(38.8-28.3) = 10.5;  (-27)</td>
			<td>0.0088</td>
			<td>960</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T1</td>
			<td>ST1</td>
			<td>(16.0-10.6) = 5.4;  (-34)</td>
			<td>0.0184</td>
			<td>960</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T2</td>
			<td>ST2</td>
			<td>(33.4-0) = 33.4;  (-100)</td>
			<td>0.6566</td>
			<td>920</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>T1</td>
			<td>QT1</td>
			<td>(16.0-15.6) = 0.4;  (-3)</td>
			<td>0.0014</td>
			<td>930</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>
Tabela 1: Wpływ tworzenia kompozytu i wiązań Ti-O-Si na wydajność fotokatalizatora. Skorygowane tłem powierzchnie piku FTIR dla pików przypisanych do Ti-O-Si (920 – 960 cm⁻¹)-1) i dla SiO2 (990 - 1230 cm-1) uzyskano z Rysunek 5 przy użyciu oprogramowania Origin Peak Analyses. Bezwymiarowy stosunek pól wskazany w Tabela 1 przyjmuje się jako miarę stopnia tworzenia wiązań Ti-O-Si w systemach kompozytowych. Przedstawiono również położenia środków piku odpowiadające wiązaniu Ti-O-Si. Dane te podsumowano w Rysunek 10.
<img alt="Wykres pokazujący względną redukcję selektywności w funkcji stosunku powierzchni, dane analityczne TiOSi/SiOSi." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig10.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 10"> 
Rysunek 10: Względna redukcja selektywności azotanów dla różnych materiałów TiO2 połączonych z SiO2 w funkcji wiązań Ti-O-Si w kompozytach fotokatalizator-nośnik. <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig10large.jpg" target="_blank">Kilknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Największy spadek selektywności po utworzeniu kompozytu, tj. taki, który wywarłby największy negatywny wpływ na jakość powietrza zewnętrznego, odnotowano dla fotokatalizatora T2 w połączeniu z prekursorem krzemianowym. Powstaje wysoko rozproszony żel, w którym zmaksymalizowano liczbę wiązań Ti-O-Si. Analiza powierzchni pików wskazuje, że około 65 mole % TiO2 jest powiązane z SiO2 poprzez połączenia Ti-O-Si, co zbliża się do stechiometrycznego stosunku TiO2:SiO2 w preparacie (80%) i potwierdza wiarygodność analizy stosunku powierzchni pików. Warto również zauważyć, że centrum piku Ti-O-Si znajduje się przy najniższej liczbie falowej zaobserwowanej dla kompozytów, co sugeruje, że informacje o składzie mogą być zawarte w charakterystyce piku Ti-O-Si. Wszystkie pozostałe kompozyty wykazują znacznie niższe stosunki powierzchni pików (Ti-O-Si)/SiO2 , co wskazuje na niższy poziom wiązań Ti-O-Si. Rysunek 10 pokazuje, że poziom wiązania ten jest skorelowany z selektywnością, wyrażoną jako procentowy spadek w stosunku do selektywności wolnego katalizatora, co wskazuje, że wiązanie Ti-O-Si ma negatywny wpływ na fotokatalityczne usuwanie NOx.
Konsekwencją tych odkryć jest konieczność wypracowania kompromisu, aby zapewnić trwałość fizyczną układu wiązanego bez znaczącej utraty wydajności fotokatalitycznej. Możliwe podejścia mogłyby obejmować: (i) zwiększenie rozmiaru cząstek TiO2 na nośniku w taki sposób, aby korzystne wiązania Ti-O-Ti, które definiują wewnętrzne właściwości fotokatalityczne „samodzielnych” fotokatalizatorów, nie zostały osłabione przez wiązania Ti-O-Si, i/lub (ii) zaprojektowanie cienkich, porowatych i trwałych powłok powierzchniowych dla podłoża, tak aby fotokatalizator był uwięziony w porach dostępnych dla cząsteczek gazu reagentów oraz naświetlania.
Krzemionkę w formie piasku kwarcowego lub reaktywnych sfer krzemionkowych zmodyfikowano z sukcesem za pomocą TiO2, wykorzystując albo wiązanie komercyjnego fotokatalizatora TiO2 (PC105) przy użyciu spoiwa na bazie krzemianu, albo reakcje hydrolizy-kondensacji różnych prekursorów Ti. Wydajność fotokatalityczną otrzymanych kompozytów porównano z wydajnością mieszanego układu tlenków otrzymanego metodą sol-gel, który sprzyja wysokiemu poziomowi wiązań Ti-O-Si. Główne wnioski wskazują, że: (i) stopień wiązania TiO2-SiO2 w preparacie tlenku mieszanego jest wysoki (65%), zgodnie z oczekiwaniami, i zbliża się do stechiometrycznego stosunku TiO2:SiO2 w preparacie. Ten żelowy system kompozytowy nie wykazał selektywności wobec azotanów w porównaniu do porównywalnego TiO2 otrzymanego metodą sol-gel (T2), który wykazał selektywność na poziomie 33%, (ii) wraz ze spadkiem reaktywności powierzchni krzemianowej stopień wiązania Ti-O-Si ulega zmniejszeniu; kolejność to: reaktywne sfery krzemionkowe (ST1) &gt; warstwa żelu krzemianowego na kwarcu (QT2) &gt; czysty kwarc, oraz (iii) selektywność TiO2 wobec azotanów jest niekorzystnie wpływana przez poziom wiązań Ti-O-Si.

Betonowe konstrukcje są wszechobecne w naszym społeczeństwie. Zazwyczaj kojarzone z naszymi ośrodkami miejskimi, ich znaczna powierzchnia stanowi ważny interfejs z atmosferą miejską 1,2. W związku z rosnącymi obawami dotyczącymi ekonomicznych i zdrowotnych skutków pogarszającej się jakości powietrza w miastach, interfejs ten stanowi ważną okazję do remediacji atmosfery. Fotokatalizatory na bazie TiO2 są od pewnego czasu wykorzystywane do remediacji powietrza zanieczyszczonego NOx, a ich wsparcie na tych konstrukcjach o dużej powierzchni zapewnia dodatkową funkcjonalność wcześniej kojarzoną z materiałami fotokatalitycznymi: (i) łatwe czyszczenie, dzięki czemu materiały, które wiążą brud z powierzchniami, są rozkładane fotokatalitycznie, dzięki czemu brud można łatwo zmyć wodą deszczową <klasa sup="xref">3; (ii) hydrofilowość indukowana światłem, która również wzmacnia efekt samooczyszczania <klasa SUP = "xref">3; oraz (iii) oczyszczanie atmosfery miejskiej, która obecnie jest typowo zanieczyszczana przez emisje pojazdów na poziomach znacznie przekraczających maksymalne dopuszczalne poziomy, szczególnie w odniesieniu do NOx4. TiO2 jest najczęściej stosowanym fotokatalizatorem w zastosowaniach środowiskowych ze względu na jego stabilność chemiczną, stosunkowo niską cenę, wysoką aktywność fotokatalityczną, a co ważniejsze, jego bezpieczeństwo ekologiczne, na co wskazują obecnie dostępne dane toksykologiczne TiO2 5.
fotokatalityczne już wykazały swój potencjał do remediacji atmosfery na stanowiskach doświadczalnych w całej Europie i gdzie indziej. Liczne badania nad fotokatalitycznymi materiałami cementowymi w ciągu ostatnich dwóch dekad zajmowały się głównie aktywnością katalizatora, często wyrażoną w kategoriach redukcji stężenia NOx1,6,7,8,9. Jednak sama aktywność jest niewystarczającym wskaźnikiem skuteczności fotokatalitycznej. Zmniejszenie stężenia NOx, zdefiniowanego jako suma stężeń atmosferycznych tlenków azotu, samo w sobie nie stanowi użytecznego wpływu na jakość powietrza, ponieważ względna toksyczność gazów składowych nie jest równoważna 10.
Fotokatalityczne utlenianie gazów NOx przebiega zgodnie z sekwencją
NO → HONO → NO2 → HONO2 (NO3-)
Wyższa toksyczność NO2 w stosunku do NO (o, ostrożnie czynnik 310), oznacza, że oksydacyjna konwersja NO do azotanu (tj. selektywność azotanów) musi być maksymalizowana. W związku z tym należy ukierunkować środki zapewniające zarówno wysoką aktywność, jak i wysoką selektywność azotanów.
Jeśli chodzi o katalizę w ogóle, do adsorpcji reagujących cząsteczek wymagane są duże powierzchnie. Nanocząstki TiO2 zapewniają wysoką powierzchnię właściwą wymaganą do wysokiej aktywności fotokatalitycznej, pod warunkiem, że cząstki są odpowiednio rozproszone9. Jednak po nałożeniu na przez zmieszanie ze spoiwem cementowym może dojść do aglomeracji, zmniejszając efektywną powierzchnię, a reakcje hydratacji cementu mogą prowadzić do okluzji fotokatalizatora, jeszcze bardziej zmniejszając dostępną powierzchnię i blokując katalizatorowi aktywację światła słonecznego1,11.
Można zatem oczekiwać znacznie lepszej wydajności, gdy dostępna powierzchnia katalizatora jest lepiej zachowana w bardziej wydajnych strukturach fotokatalitycznych. Obejmowały one katalizatory osadzone na powierzchni betonu, odsłoniętych kruszywach oraz w strukturach zeolitowych2,12. Trwałość tych struktur zależy w dużej mierze od tego, jak dobrze katalizator jest związany z różnymi podporami. Korzyści płynące z chemicznego wiązania TiO2 z podłożami były często wspominane w literaturze8,13, ale sposób scharakteryzowania stopnia wiązania był niejednoznaczny. Niemniej jednak integralność wiązania chemicznego w stosunku do przyciągania fizycznego stwarza możliwość wytworzenia solidnych struktur na powierzchni betonu. Jednak wpływ wiązania chemicznego między TiO2 a podłożem, np. kwarcem, w celu zapewnienia wiązania Ti-O-Si, na właściwości optyczne i fotokatalityczne podpartego TiO2 nie był wcześniej badany. W związku z tym niniejsza praca skupia się na ustaleniu sposobów generowania i ilościowego określania poziomów wiązań Ti-O-Si oraz korelowania ich z właściwościami fotokatalitycznymi wspieranego TiO2. W tym celu zarówno komercyjne, jak i zsyntetyzowane TiO2 zostały połączone, różnymi metodami, z piaskiem kwarcowym SiO2 (Q; jako prosty przykład agregatu).

<table><tbody><tr><td>kwarc</td><td>Aldrich</td><td>31623</td><td></td></tr><tr><td>tetrabutyloorthotitania (TBOT)</td><td>Aldrich</td><td>244112</td><td></td></tr><tr><td>etanol</td><td>Aldrich</td><td></td><td>alkohol bezwzględny</td></tr><tr><td>kwas solny</td><td>Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>woda</td><td></td><td></td> dejonizowana <td>18,2 MW&Omega;. cm</td></tr><tr><td>seives</td><td>Endecott</td><td></td><td></td></tr><tr><td>tetraetyloortokrzemian (TEOS)</td><td>Aldrich</td><td>86578</td><td></td></tr><tr><td>PC105 (TiO2)</td><td>Cristal Globalny</td><td></td><td></td></tr><tr><td>roztwór amoniaku</td><td>Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>tytanowy tetraizoproptlenek (TTIP)</td><td>Aldrich</td><td>87560</td><td></td></tr><tr><td>siarczan baru</td><td>Aldrich</td><td></td><td></td></tr><tr><td>NIE w N2&nbsp; Spektrofotometr FTIR </td><td>BOC</td><td></td><td>100 ppm</td></tr><tr><td></td><td>Perkin Elmer</td><td>Spectrum Two&nbsp;</td><td>wyposażony w UATR</td></tr><tr><td>Dyfraktometr</td><td>rentgenowski PAN analityczny&nbsp;</td><td>Proszek X'Pert3</td><td>wyposażony w CuKa1 1.54 i Aring; Źródło promieniowania rentgenowskiego</td></tr><tr><td>Skaningowy mikroskop elektronowy</td> Analizator promieniowania rentgenowskiego <td>ISI</td><td>ABT55</td><td>ED i detektor BSE Link Analytics&nbsp;</td></tr><tr><td>Transmisyjny mikroskop elektronowy</td><td>Jeol</td><td>JEM-2000EX&nbsp;</td><td>z wykorzystaniem kamery Gatan Erlangshen ES500W</td></tr><tr><td>Spektrofotometr odbicia dyfuzyjnego UV-vis</td><td>Agilent Technology</td><td>Cary 60&nbsp;</td><td></td></tr><tr><td>Regulatory przepływu masowego</td><td>Bronkhorst</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Monitor wilgotności</td><td>Rotronic</td><td>Hygropalm</td><td></td></tr><tr><td>Symulator słoneczny</td><td>Sciencetech</td><td>SS0,5kW</td><td>1,5 AM filtr używany</td></tr><tr><td>Szerokopasmowy detektor termoelektryczny</td><td>Gentec EO</td><td>XLP12-3S-H2-D0</td><td></td></tr><tr><td>Analizator NOx</td><td>Air Monitors Ltd</td><td>Thermo Scientific Model 42i-HL</td><td></td></tr></tbody></table>

wpływ międzyfazowych wiązań chemicznych w kompozytach tio2-sio 2 na ich fotokatalityczną redukcję nox

The Effect of Interfacial Chemical Bonding in TiO2-SiO2 Composites on Their Photocatalytic NOx Abatement Performance

Chemiczne wiązanie fotokatalizatorów cząstek stałych z powierzchniami materiałów nośnych ma ogromne znaczenie w projektowaniu bardziej wydajnych i praktycznych struktur fotokatalitycznych. Jednak wpływ takiego wiązania chemicznego na właściwości optyczne i powierzchniowe fotokatalizatora, a tym samym jego aktywność fotokatalityczną/selektywność reakcji, nie był systematycznie badany. W niniejszym badaniu TiO2 został utrzymany na powierzchni SiO2 za pomocą dwóch różnych metod: (i) przez tworzenie TiO2 in situ w obecności kwarcu piaskowego metodą zol-żel z zastosowaniem ortotytanu tetrabutylu (TBOT); oraz (ii) poprzez wiązanie komercyjnego proszku TiO2 z kwarcem na powierzchniowej warstwie żelu krzemionkowego powstałej w wyniku reakcji kwarcu z tetraetyloortokrzemianem (TEOS). Dla porównania, nanocząstki TiO2 osadzano również na powierzchniach bardziej reaktywnego SiO2 przygotowanego techniką zol-żel sterowaną hydrolizą, a także drogą zol-żel z prekursorówTiO2 iSiO2. PołączenieTiO2 iSiO-2, poprzez międzyfazowe wiązania Ti-O-Si, potwierdzono za pomocą spektroskopii FTIR, a aktywność fotokatalityczną otrzymanych kompozytów zbadano pod kątem fotokatalitycznej degradacji NO zgodnie z metodą standardową ISO (ISO 22197−1). Obrazy uzyskanych materiałów uzyskane za pomocą mikroskopu elektronowego wykazały, że można z powodzeniem uzyskać zmienne pokrycie fotokatalizatorem powierzchni nośnej, ale stwierdzono, że metoda przygotowania wpływa na aktywność fotokatalityczną w kierunku usuwania NO, a wiązanie Ti-O-Si negatywnie wpływa na selektywność azotanów.

Dyfrakcja rentgenowska (XRD) 
Dyfraktogramy XRD niepowleczonego piasku kwarcowego (Q), przygotowanych kompozytów TiO2-SiO2 oraz TiO2 bez dodatku kwarcu przedstawiono na Rysunku 2. Położenia pików potwierdzają obecność anatazu w próbce zawierającej wyłącznie TiO2, a także w kompozytach TiO2-SiO2, z wyjątkiem preparatu otrzymanego w temperaturze 400 °C (QT1), w którym nie zaobserwowano wyraźnych pików TiO2. W pozostałych przypadkach różnice w intensywnościach i szerokościach pików między poszczególnymi próbkami wynikają z różnic w wielkości cząstek i stopniu krystaliczności. W przypadku QT1 brak pików TiO2 można przypisać albo niskiemu stopniowi krystaliczności, albo bardzo małej ilości TiO2 naniesionego na kwarc w tych warunkach przygotowania. Niemniej jednak, transmisyjna mikroskopia elektronowa (Rysunek 3) wykazuje, że QT1 jest pokryty nanocząsteczkami TiO2, które przy dużym powiększeniu okazują się być aglomerowanymi nanokulami.
<img alt="Wzory dyfrakcji rentgenowskiej; intensywność względem 2-Theta w stopniach. Wykres analizy kwazikryształów." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2: Wzory XRD czystego TiO2 oraz kompozytów TiO2-SiO2 przygotowanych różnymi metodami.<a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig2large.jpg" target="_blank">Aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.</a>
<img alt="Analiza mikroskopowa kompozytu SiO₂-TiO₂; obrazy z transmisyjnego mikroskopu elektronowego o wysokiej rozdzielczości." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig3.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 3"> 
Rycina 3: Obrazy TEM próbek SiO2 powlekanych tlenkiem tytanu; (a) QT1, (b) QT2 oraz (c) ST1 na obrazach o niskim (1) i wysokim (2) powiększeniu. <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig3large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Spektroskopia odbicia rozproszonego 
Rysunek 4 przedstawia widma absorpcyjne UV-vis przygotowanych próbek, wyrażone za pomocą zmodyfikowanej funkcji Kubelka-Munka [F(R∞)hν]1/2, wykreślone jako funkcja energii fotonów padających, co jest wymagane dla półprzewodnika pośredniego. Widma te są również zgodne z obecnością TiO2 i wskazują, że naniesienie TiO2 na powierzchnię SiO2 ma pomijalny wpływ na przerwę energetyczną. Jednak w przypadku próbki tlenków mieszanych (ST2) obserwuje się niewielkie przesunięcie w stronę wyższego poziomu energii (ok. 3.3 eV), co wskazuje na efekt poszerzenia przerwy energetycznej.
<img alt="Wykres Tauca; widma absorpcji optycznej; analiza przerwy energetycznej; energia fotonów w funkcji współczynnika absorpcji." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig4.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 4"> 
Rysunek 4: Przekształcone widma odbicia rozproszonego (wykresy Tauca) dla kompozytów TiO2 i TiO2-SiO2. <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig4large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera (FTIR) 
Rysunek 5 przedstawia widma FTIR próbek tlenków mieszanych SiO2/TiO2 oraz kompozytów TiO2-Q. Dowód na wiązanie chemiczne TiO2 z SiO2 można zaobserwować w zakresie od 900 do 960 cm-1, przypisywanym modowi drgań rozciągających Si-O-Ti15; zgodnie z oczekiwaniami, w przypadku SiO2 lub TiO2 nie zaobserwowano piku absorpcji wynikającego z tego modu.
<img alt="Wykres widm transmitancji IR; wiele materiałów, liczba falowa vs transmitancja; analiza spektralna." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig5.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 5"> 
Rysunek 5: Widma FTIR TiO2 (T1), SiO2Reaktywna krzemionka modyfikowana TiO22 (ST1), SiO2-TiO2 Przygotowany tlenek mieszany poprzez Metoda sol-gel (ST2), kwarc (Q) i TiO22modyfikowane próbki kwarcu (QT1, QT2)Dla przejrzystości widmo dla T2 nie zostało przedstawione, ponieważ jest ono identyczne z widmem dla T1. <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig5large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Kompozyty TiO2-kwarc 
Choć modelowanie molekularne przeprowadzone przez Tokarsky et al.16 wskazywało na możliwość powstania wiązań Ti-O-Si na kwarcu piaskowym, nie udało im się eksperymentalnie zaobserwować jednoznacznych dowodów na istnienie Ti-O-Si po hydrolizie termicznej siarczanu tytanylu w obecności kwarcu. Jednakże, jak widać na Ryc. 5, dla porównywalnych kompozytów QT1 w niniejszym badaniu można zauważyć bardzo niską absorpcję IR w zakresie 920 - 960 cm-1, co wskazuje na niewielką ilość wiązań Ti-O-Si. QT2 wykazuje bardziej znaczącą absorbancję, która prawdopodobnie wiąże się z oddziaływaniem TiO2 z bardziej reaktywnym TEOS pokrywającym powierzchnię kwarcu. Prawdopodobne jest, że TiO2 wiąże się z powstałym żelem krzemianowym, a nie z powierzchnią kwarcu.
Układy tlenków mieszanych 
Najwyższe pochłanianie w FTIR zmierzone w niniejszym badaniu zaobserwowano dla ST2, otrzymanego w wyniku reakcji prekursorów organicznych. Oczekuje się, że taki układ zmaksymalizuje dyspersję i mieszanie substratów, co jest zgodne z danymi FTIR. W przypadku ST1 wykorzystano wcześniej wytrąconą krzemionkę, lecz mimo jej reaktywnej powierzchni, wynikające z tego pochłanianie w FTIR wskazuje na stosunkowo niski poziom wiązania.
Skaningowa mikroskopia elektronowa (SEM) 
Za pomocą SEM zbadano skuteczność filmu na bazie krzemianu naniesionego na kwarc (QT2) jako wydajnego nośnika dla TiO2. Wiele zależy od tego, jak dobrze sam film pokrywa podłoże kwarcowe. Rysunek 6 porównuje obrazy SEM-EDS komercyjnego TiO2 (PC105) rozproszonego w tym filmie pochodzącym z TEOS z TiO2 w stosunku molowym 1:1 (QT2). Stwierdzono, że film krzemianowy został unieruchomiony niejednorodnie na ziarnach, ponieważ niektóre obszary pozostały wolne od powłoki krzemianowej. W konsekwencji, w tym przypadku TiO2, związany z żelową fazą na bazie krzemianu, jest również rozłożony niejednorodnie i nie jest związany bezpośrednio z powierzchnią kwarcu. Jest to zgodne z obrazem TEM na Rysunku 3 b(2). Powłoka krzemianowa (prawy górny róg obrazu) daje analizę EDS porównywalną z tą przedstawioną na Rysunku 6(d), co wskazuje na powiązanie TiO2 z warstwą krzemianową.
<img alt="Obrazy SEM i widma EDS analizujące skład cząstek; piki pierwiastków do porównania analiz." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig6.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 6"> 
Rycina 6: Obrazy SEM dla (a) czystego kwarcu oraz (b) próbki QT2. Odpowiednie dane EDS przedstawiono odpowiednio w punktach c i d. <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig6large.jpg" target="_blank">Aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.</a>
Wydajność fotokatalityczna
Rysunek 7 przedstawia przykład zmian stężeń NO, NOx i NO2 w strumieniach gazu przepływających nad TiO2 (PC105) w ciemności oraz pod wpływem oświetlenia. Po włączeniu światła początkowe stężenie NO spada o ok. 48% przy jednoczesnym tworzeniu się NO2. W konsekwencji stężenie NOx, które wyraża głównie sumę stężeń NO i NO2, ulega zmniejszeniu podczas czasu naświetlania.
Proponowana ścieżka konwersji NO po jego adsorpcji na naświetlonym fotokatalizatorze na bazie TiO2 może zostać przedstawiona w poniższym schemacie:
NO → HONO → NO2 → HONO2 (NO3-)
Można również zauważyć z Rycina 7 że stężenie NO wzrastało nieznacznie i stale przez cały czas naświetlania. Ilustruje to dążenie do stanu stacjonarnego i może być przypisane akumulacji produktów utleniania NO, generowanych fotokatalitycznie, na dostępnych centrach aktywnych, t. j., HNO2/NO2-; NO2; oraz HNO33/NO3-, co może wpływać na szybkość adsorpcji NO. Bloh i współpracownicy donieśli, że osiągnięcie stanu stacjonarnego w tym układzie wymaga kilku godzin naświetlania.
<img alt="Wykresy stężeń NO, NOx, NO2; fazy ciemne i naświetlania; analiza chemii atmosfery." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig7.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rysunek 7"> 
Rysunek 7: Zmiany stężeń NO, NO2 i NOx w funkcji czasu: (a) bez fotokatalizatora lub nośnika, (b) tylko kwarc oraz (c) PC105. <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig7large.jpg" target="_blank">Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Aby określić i porównać aktywność otrzymanych kompozytów TiO2-SiO2 w usuwaniu NOx, obliczono i przedstawiono na Rysunku 8 wydajności fotoniczne (ξ) dla usuwania NO, NOx oraz powstawania NO2.
<img alt="Wykres słupkowy wydajności fotonicznej; analiza NO, NOx, NO2; badania optyczne; porównanie wydajności." class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/56070/56070fig8.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Rycina 8"> 
Rycina 8: Wydajności fotoniczne różnych proszków kompozytowych TiO2 i TiO2-SiO2 w usuwaniu NO i NOx oraz w tworzeniu NO2. Bezpośrednio porównywalne systemy oznaczono tymi samymi symbolami, pary nośnikowe vs nienośnikowe. <a href="https://cloudfront.jove.com/files/ftp_upload/56070/56070fig8large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.</a>
Wartość ξ zdefiniowano jako stosunek szybkości reakcji do strumienia fotonów padających i obliczono zgodnie z równaniem (9)18, gdzie <img alt="Symbol prędkości \( \dot{V} \), równanie do analizy dynamiki płynów, reprezentacja wzoru." src="/files/ftp_upload/56070/56070eq1v2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 1"> to objętościowy przepływ; cd stężenie NO, NOx lub NO2 w warunkach ciemności; ci stężenie tego samego gazu podczas naświetlania; p ciśnienie; NA stała Avogadra; h stała Plancka; c prędkość światła; I natężenie promieniowania padającego, λ zastosowana długość fali przy założeniu światła monochromatycznego (365 nm), A powierzchnia naświetlana; R stała gazowa oraz T temperatura bezwzględna.
<img alt="Równanie badania optycznego ξ=((V(c_d-c_i)pN_Ahc))/(IAλRT) do analizy absorpcji światła." src="/files/ftp_upload/56070/56070eq2.jpg" data-altupdatedat="1788250015000" data-alt="Równanie 2"> (9)

Przedmiotem niniejszej pracy jest ustalenie sposobów generowania i ilościowego określania poziomów wiązań Ti-O-Si oraz korelowanie ich z właściwościami fotokatalitycznymi wspieranego TiO2.

Wpływ międzyfazowych wiązań chemicznych w kompozytach TiO2-SiO 2 na ich fotokatalityczną redukcję NOx

The chemical bonding of particulate photocatalysts to supporting material surfaces is of great importance in engineering more efficient and practical ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest ilościowa ocena korzyści płynących z zastosowania fotokatalizatorów na nośnikach w aplikacjach środowiskowych oraz zrozumienie wpływu wiązań chemicznych między katalizatorami a ich nośnikami na aspekty DeNOx w ramach zarządzania jakością. Większa dostępna powierzchnia właściwa oferowana przez fotokatalizatory na nośnikach sugeruje bardziej efektywną zdolność do redukcji stężeń NOx w atmosferze. Jednak niewiele wiadomo o wpływie nośnika na właściwości i wydajność katalizatora.NOx składa się głównie z NO i NO2. Bardziej toksyczny NO2 ma największy negatywny wpływ na jakość powietrza, dlatego fotokatalizatory muszą wykazywać bardzo wysoką selektywność w utlenianiu NOx do azotanów. Przedstawiony tutaj deskryptor techniczny dostarcza informacji, które mogą zostać wykorzystane w projektowaniu i wdrażaniu rozwiązań dla zarządzania jakością powietrza w miastach, takich jak stosowanie nośników fotokatalitycznych na powierzchniach infrastruktury betonowej.Aby przygotować kompozyt QT1, najpierw należy zmielić w młynku kulowym komercyjny kwarc przez 15 minut. Przesiać zmielony proszek kwarcowy, aby uzyskać cząstki kwarcu o rozmiarach od 20 do 100 mikronów. Następnie zmieszać 2,6 milliliters 97% butanolku tytanu z 29,6 milliliters etanolu absolutnego, aby otrzymać roztwór prekursora tytanu.Zawiesić trzy gramy zmielonego i przesianego proszku kwarcowego w 30 gramach roztworu prekursora tytanu. Do zawiesiny dodać 0,3 mililitra 32% kwasu solnego i mieszać przez pięć minut. Następnie dodać 30 mililitrów wody dejonizowanej i mieszać zawiesinę przez noc.Następnie przenieś lepką zawiesinę do szalki Petriego. Pozostaw pozostałą część rozpuszczalnika do odparowania przez noc w warunkach otoczenia. Następnie przemyj kwarc poddany obróbce tytanem, wielokrotnie zawieszając go w wodzie dejonizowanej, wirując zawiesinę i odlewając nadsącz.Suszyć proszek w temperaturze 90 °C przez noc, a następnie poddać suchy proszek obróbce termicznej w temperaturze 400 °C przez 20 godzin. Schłodzić poddany obróbce termicznej proszek kompozytowy w powietrzu i przesiać go, aby usunąć cząstki o rozmiarze mniejszym niż 20 µm. Przechowywać proszek w szczelnym pojemniku.Aby przygotować kompozyt QT2, najpierw połącz 23.3 milliliters TEOS z 29.2 milliliters absolutnego etanolu. Do tego roztworu dodaj 7.2 milliliters dejonizowanej wody oraz 0.4 milliliters 3.6 weight percent kwasu solnego i mieszaj przez 10 dni w temperaturze pokojowej. Następnie zawieś 0.2 grams fotokatalitycznego anatazu dwutlenku tytanu w 100 milliliters absolutnego etanolu.Dodaj do tego 1,46 milliliters roztworu TEOS, aby uzyskać stosunek molowy tytanu do TEOS wynoszący jeden do jednego. Delikatnie mieszaj zawiesinę w temperaturze pokojowej przez noc. Następnie umieść dwa gramy zmielonego, przesianego komercyjnego kwarcu w kolbie okrągłodnej.Kolbę wyposażyć w chłodnicę, mieszadło magnetyczne i aspirator wodny. Zacząć dodawać kroplami mieszaninę TEOS i tytanii do kwarcu w temperaturze 80 °C pod obniżonym ciśnieniem. Po dodaniu objętości wystarczającej do zawieszenia kwarcu, rozpocząć mieszanie zawiesiny.Kontynuuj mieszanie aż do całkowitego dodania składników. Wynikowy proszek susz w temperaturze 90 °C przez noc, a następnie poddaj obróbce termicznej w temperaturze 200 °C przez cztery godziny. Schłodź proszek na powietrzu i usuń drobne cząstki poprzez przesiewanie.Aby przygotować kompozyt ST1, najpierw dodaj 5 ml TEOS do 40 ml absolutnego etanolu i mieszaj roztwór przez 30 minut. W osobnym naczyniu połącz 8 ml 25% wagowo amoniaku z 30 ml wody dejonizowanej i 18 ml absolutnego etanolu, a następnie również mieszaj przez 30 minut. Dodaj roztwór TEOS do roztworu amoniaku i mieszaj przez trzy godziny w temperaturze pokojowej w celu otrzymania mikrosfer krzemionkowych.Odwirować zawiesinę krzemionkową z prędkością 1 252 ×g przez 30 minut i odlać nadsącz. Przemyć krzemionkę poprzez wirowanie trzykrotnie, używając porcji 40 ml absolutnego etanolu, a następnie wysuszyć krzemionkę w temperaturze 105 °C przez 48 godzin. Następnie zawiesić jeden gram suchych mikrosfer krzemionkowych w 30 ml absolutnego etanolu.Poddaj zawiesinę sonikacji w kąpieli ultradźwiękowej przez 10 minut, a następnie mieszaj ją przez 30 minut. Ostrożnie dodaj jeden mililitr 97% butoksydu tytanu do zawiesiny krzemionkowej i mieszaj mieszaninę w temperaturze pokojowej przez 24 godziny. Następnie dodaj do mieszaniny dwa mililitry wody dejonizowanej oraz osiem mililitrów etanolu absolutnego i kontynuuj mieszanie przez kolejne dwie godziny.Odwiruj mieszaninę, zlej nadsącz i przemyj proszek trzykrotnie porcjami 40 ml absolutnego etanolu. Susz proszek w temperaturze 105 °C przez 48 godzin, a następnie poddaj go obróbce termicznej w temperaturze 500 °C przez trzy godziny. Ochłodź i przesiaj proszek.Aby przygotować kompozyt ST2, należy najpierw połączyć 58,4 milliliters absolutnego etanolu, 14,4 milliliters wody dejonizowanej oraz 0,8 milliliters 3,6% wagowo kwasu solnego. Do otrzymanego roztworu należy dodać kroplami 0,89 milliliters TEOS i mieszać mieszaninę w temperaturze pokojowej przez jedną godzinę. Następnie należy dodać 4,74 milliliters tetraisopropo propagate tytanu i mieszać w temperaturze pokojowej przez noc.Następnie podgrzej mieszaninę do 80 °C i mieszaj przez jedną godzinę, aby przeprowadzić konwersję sol-żel. Susz żel w temperaturze 90 °C przez noc. Poddaj żel obróbce termicznej przez pięć godzin w temperaturze 450 °C, a następnie przez pięć godzin w 500 °C, aby otrzymać proszek kompozytowy.Schłodzić proszek kompozytowy w powietrzu i przesiać go w celu usunięcia małych cząstek. Aby przeprowadzić testy aktywności fotokatalitycznej, umieścić badany proszek kompozytowy w uchwycie na próbki aparatury do testów fotokatalitycznych. Naświetlać próbkę światłem UV o długości fali 320 nanometrów przez noc.Każda próbka musi zostać poddana promieniowaniu przed umieszczeniem w reaktorze Heraeus. Eliminuje to wpływ wcześniej zaabsorbowanych zanieczyszczeń na wydajność fotokatalityczną. Pozycjonowanie próbki jest również kluczowe dla uzyskania wymaganych warunków przepływu.Przykryj napromieniowaną próbkę szkłem borokrzemianowym. Umieść próbkę pod symulatorem słonecznym i podłącz fotoreaktor do linii wlotowej i wylotowej gazów aparatury testowej. Następnie przepuść NO i N2 w sprężonym powietrzu nad próbką przy wilgotności 40%.Monitoruj i rejestruj stężenia NO, NO2 oraz NOx w strumieniu gazu wylotowego. Dyfrakcja rentgenowska kompozytów czystego ditlenku tytanu oraz niepowlekanego kwarcu wykazała, że ditlenek tytanu występuje w formie anatazy w prawie wszystkich kompozytach w różnym stopniu. Transmisyjna mikroskopia elektronowa potwierdziła obecność aglomerowanych nanokulek ditlenku tytanu we wszystkich próbkach kompozytowych.Widma FTIR materiałów kompozytowych wykazały piki przypisane do drgań rozciągających wiązań krzem-tlen-tytan. Stopień wiązania chemicznego pomiędzy krzemionką a tytanią oszacowano dla każdego materiału kompozytowego na podstawie stosunku pól pod pikami krzemu-tlenu-tytanu i odpowiadających im pików krzemionki. Wydajności fotoniczne dla materiałów kompozytowych, wspierającego kwarcu oraz proszków tytanii obliczono na podstawie pomiarów konwersji NO i NOx oraz tworzenia się NO2.Wydajność w stosunku do procentowego ładunku tlenku tytanu była większa dla wszystkich materiałów kompozytowych. W szczególności materiał QT2 osiągnął 73% wydajności utleniania NO w porównaniu do odpowiadającego mu fotokatalizatora, przy zastosowaniu jedynie 6,5% masy fotokatalizatora. Selektywność w kierunku azotanów każdego materiału kompozytowego porównano z selektywnością odpowiadającego mu prekursorowego proszku tlenku tytanu.Największy spadek selektywności zaobserwowano pomiędzy T2 a ST2. Kompozyt ST2 charakteryzował się stosunkowo wysokim stosunkiem wiązań tytan-tlen-krzem, co sugeruje, że poziom wiązania wpływa na selektywność w odniesieniu do azotanów. Niniejsza procedura stanowi wydajny sposób projektowania i walidacji wysokoefektywnych fotokatalitycznych struktur kompozytowych.Fotokatalizatory te mogą być osadzone na konstrukcjach betonowych w centrach miast, gdzie zanieczyszczenie NOx pochodzące z emisji pojazdów jest wyjątkowo wysokie.

the-effect-interfacial-chemical-bonding-tio2-sio2-composites-on-their

Research

JoVE Journal

Chemistry

Chemia

Opisana jest synteza zol-żel za pośrednictwem surfaktantu nanosized monosodium titanate, wraz z przygotowaniem odpowiedniego materiału modyfikowanego nadtlenkiem. Przedstawiono również reakcję wymiany jonowej z Au(III).

Synteza i chemia reakcji nanometrażowego tytanianu sodu

Przedstawiono protokół pomiaru prędkości płomienia mieszaniny reaktywnej złożonej z beztlenku tetrajodu (I4O9) i aluminium (Al). Przedstawiono również metodę określania kinetyki reakcji za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC). Stwierdzono, że I4O9 jest o 150% bardziej reaktywny niż inne tlenki jodu(V).

Kinetyka reakcji i dynamika spalania mieszanin I4O9 i glinu

Tutaj prezentujemy protokół syntezy in situ nanocząstek złota (AuNPs) w przestrzeni międzywarstwowej warstwowych warstw tytanianu bez agregacji AuNPs. Nie zaobserwowano żadnej zmiany spektralnej nawet po 4 miesiącach. Zsyntetyzowany materiał ma zastosowanie w katalizie, fotokatalizie i opracowywaniu opłacalnych urządzeń plazmonicznych.

In Situ Synteza nanocząstek złota bez agregacji w przestrzeni międzywarstwowej warstwowych przezroczystych folii tytanianowych

Ten manuskrypt proponuje metodę miękkiej chemii do syntezy superhydrofobowych, powlekanych TiO 2 pustych szklanych mikrosfer (HGM) o wysokich właściwościach odbijających promieniowanie podczerwone.

Puste szklane mikrosfery z powłoką TiO2 o właściwościach superhydrofobowych i wysokich właściwościach odbijających promieniowanie podczerwone, zsyntetyzowane metodą miękkiej chemii

Ta praca dostarcza szczegółowej procedury eksperymentalnej do osadzania Sb2S3 na mezoporowatej warstwie TiO2 przy użyciu roztworu kompleksu 3-tiomocznika SbCl do zastosowań w ogniwach słonecznych uczulonych na Sb2S 3. W artykule tym określono również kluczowe czynniki rządzące procesem osadzania.

Kluczowe czynniki wpływające na wydajność ogniw słonecznych uczulonych naSb 2S 3 podczas osadzania Sb2S 3 za pomocą SbCl Przetwarzanie roztworu kompleksu 3-tiomocznika

Tutaj prezentujemy protokół przygotowania chromoforów do przenoszenia ładunku na bazie membrany kompozytowej z polioksometalunu/polimeru.

Przygotowanie membran fotoczułych na bazie polioksometalanu do fotoaktywacji katalizatorów tlenku manganu

Prezentowany tutaj jest protokół do zbadania uniwersalnego zestawu procedur eksperymentalnych do kompleksowej oceny laboratoryjnej fotokatalizatorów w dziedzinie oczyszczania środowiska, na przykładzie fotokatalitycznego usuwania antybiotykowych cząsteczek zanieczyszczeń organicznych z wody za pomocą uczulonych ftalocyjaniną kompozytów fosforanu srebra.

Kompletna metoda oceny wydajności fotokatalizatorów w degradacji antybiotyków w remediacji środowiska

Protokół ten opisuje ocenę, czy stosowanie dwutlenku tytanu do betonu zwiększa jego właściwości fizyczne, a tym samym zwiększając odporność na skutki klęsk żywiołowych spowodowanych ekstremalnymi zdarzeniami.

Ocena odporności betonu na katastrofy z użyciem nanocząstek dwutlenku tytanu

Przedstawiono technikę syntezy umożliwiającą przygotowanie ZnCoS/ZnCdS reagującego na światło widzialne z fotokatalizatorem o podwójnej strukturze krystalicznej oraz technikę testowania reakcji fotoredoksowej jego aktywności fotokatalitycznej i selektywności w ewolucji H2 oraz produkcji benzaldehydu.

Synteza i oceny wydajności ZnCoS/ZnCdS z podwójną strukturą krystaliczną dla wielofunkcyjnej fotokatalizy redoks w zastosowaniach energetycznych

Trójwymiarowe (3D) mikrostrukturalne wiązki kompozytowe są wytwarzane poprzez ukierunkowaną i zlokalizowaną infiltrację nanokompozytów do porowatych sieci mikroprzepływowych 3D. Elastyczność tej metody produkcji umożliwia wykorzystanie różnych materiałów termoutwardzalnych i nanowypełniaczy w celu uzyskania różnorodnych funkcjonalnych makroskopowych produktów nanokompozytowych wzmocnionych 3D.

Wytwarzanie trójwymiarowych mikrostrukturalnych nanokompozytów metodą infiltracji mikroprzepływowej

Poznaj metodę syntezy kompozytów TiO₂-SiO₂ z wiązaniami Ti-O-Si do fotokatalitycznej redukcji NOx. Technika sol-gel pozwala ocenić wpływ powierzchniowego wsparcia na efektywność katalizatorów w ochronie środowiska.

Wpływ międzyfazowych wiązań chemicznych w kompozytach TiO_2-SiO ₂ na ich fotokatalityczną redukcję NOx

Przeglądaj więcej filmów