| Περίληψη |
Αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η παρασκευή υμενίων και νανοδομών ZnO και TiO2 με χημικές τεχνικές, η μελέτη της φωτοκαταλυτικής δράσης τους ως προς την αποδόμηση οργανικών δεικτών‐ρυπαντών. Οι στόχοι της έρευνας αφορούσαν τον έλεγχο των βασικών χαρακτηριστικών των υλικών μέσω των παραμέτρων ανάπτυξής τους, τον
προσδιορισμό των χαρακτηριστικών που οδηγούν σε βέλτιστη φωτοκαταλυτική δράση και τον καθορισμό της τεχνικής που μπορεί να προσφέρει τα χαρακτηριστικά αυτά, σε συνδυασμό βέβαια με τη δυνατότητα επέκτασής της για την ανάπτυξη φωτοκαταλυτικών
επιστρώσεων σε μεγάλες διαστάσεις και σε βιομηχανικό επίπεδο.
Για την ανάπτυξη των υμενίων και νανοδομών χρησιμοποιήθηκαν διάφορες χημικές τεχνικές εναπόθεσης όπως της εναπόθεσης μέσω κολλοειδούς γέλης (sol‐gel), της εναπόθεσης ψεκασμού με τη χρήση υπερήχων (Ultrasonic Spray Pyrolysis, USP) και της εναπόθεσης από υδατικά διαλύματα (Aqueous Solution Growth, ASG), με την επιλογή να
βασίζεται στα πλεονεκτήματα που προσφέρει κάθε μία από αυτές αναφορικά με τα χαρακτηριστικά των εναποτιθέμενων υλικών. Αναλυτικότερα:
Η εναπόθεση μέσω κολλοειδούς γέλης και περιστροφής (sol‐gel, spin‐coating) είναι ευρέως διαδεδομένη τεχνική για την παραγωγή ομοιόμορφων λεπτών υμενίων μεγάλης καθαρότητας, με πολύ καλή ομοιογένεια και υψηλή οπτική ποιότητα. Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής, εναποτέθηκαν λεπτά υμένια τόσο TiO2 όσο και ZnO σε
υποστρώματα γυαλιού και μελετήθηκαν σε βάθος οι παράμετροι που επηρεάζουν τη μορφολογία, τις κρυσταλλικές και οπτικές ιδιότητες των παραγόμενων δειγμάτων. Τα δείγματα TiO2 από την τεχνική αυτή παρουσιάζουν έντονη φωτοκαταλυτική δράση,
ενώ ιδιαίτερα ενδιαφέρουσα είναι η επίδραση πρόσμιξης Al στα λεπτά υμένια ZnO που τους προσδίδει αυξημένες φωτοκαταλυτικές αποδόσεις.
Η εναπόθεση ψεκασμού με τη χρήση υπερήχων (USP), αποτελεί μία άριστη τεχνική για την εναπόθεση μεγάλων επιφανειών με απλές διαδικασίες, εύκολα
μεταφερόμενη σε μονάδα παραγωγής, ενώ παράλληλα επιτρέπει την ελεγχόμενη τροποποίηση της μορφολογίας και των κρυσταλλικών ιδιοτήτων. Αξίζει να σημειωθεί
ότι η τεχνική USP εφαρμόστηκε για πρώτη φορά, στο πλαίσιο της παρούσας
διατριβής, στην ανάπτυξη φωτοκαταλυτικών επιστρώσεων και τα αποτελέσματα που έδωσε ήταν ιδιαίτερα ενθαρρυντικά.
Η τεχνική ASG επιτρέπει την εναπόθεση νανοράβδων ZnO σε ήπιες συνθήκες (95 oC), ενώ για πρώτη φορά γίνεται συσχέτιση των γεωμετρικών τους χαρακτηριστικών με τις συνθήκες εναπόθεσης. Το μήκος των εναποτεθημένων νανοράβδων ZnO εξαρτάται από το χρόνο σύνθεσης, ενώ η ύπαρξη ενός ενδιάμεσου στρώματος ZnO πάνω στο υπόστρωμα που χρησιμοποιείται, εξασφαλίζει την ανάπτυξη των νανοράβδων στον άξονα –c, κάθετο στο επίπεδο του υποστρώματος. Η διάμετρος
των νανοράβδων εξαρτάται άμεσα από τη διάμετρο των κόκκων του ενδιάμεσου
στρώματος, επιτρέποντας έτσι τον έλεγχο των γεωμετρικών χαρακτηριστικών των δειγμάτων. Μια επίσης σημαντική πρωτοτυπία αυτής της διατριβής αποτελεί η εναπόθεση ευθυγραμμισμένων νανοράβδων ZnO με ελεγχόμενα γεωμετρικά χαρακτηριστικά, με τη χρήση ενδιάμεσου στρώματος ZnO σε θερμοκρασίες που σε κανένα στάδιο της εναπόθεσης δεν υπερβαίνουν τους 95 oC, δίνοντας τη δυνατότητα
εφαρμογής της μεθόδου σε θερμικά ευαίσθητα υποστρώματα όπως πλαστικά κ.λ.π.
Με βάση τις παραπάνω τεχνικές εναπόθεσης έγινε εφικτός ο άριστος έλεγχος της κρυσταλλικότητας, της μορφολογίας και της επιφάνειας επαφής των δειγμάτων με το περιβάλλον.
Η φωτοκαταλυτική δράση των δειγμάτων μελετήθηκε με τη διάσπαση κατάλληλων
ρύπων‐δεικτών, όπως το μπλε του μεθυλενίου (Methylene Blue) που προσομοιάζει τις χρωστικές που απαντώνται στην εκροή υφαντουργείων και βαφείων και του στεαρικού
οξέος (stearic acid), ενός οργανικού λιπιδίου που περιέχει χαρακτηριστικούς χημικούς δεσμούς που απαντώνται σε κοινούς οργανικούς ρύπους.
Οι πιο κρίσιμοι παράμετροι για τη φωτοκαταλυτική απόδοση των λεπτών υμενίων είναι η κρυσταλλικότητά τους καθώς και η ομοιομορφία και το μέγεθος των κόκκων τους που καθορίζει την επιφάνεια επαφής τους με τους υπό μελέτη δείκτες. Η φωτοκαταλυτική
δράση για τα λεπτά υμένια τόσο TiO2, όσο και ZnO είναι ιδιαίτερα έντονη, καθώς δίνουν
τιμές κβαντικής απόδοσης μεγαλύτερες από εκείνες που σημειώνονται στη διεθνή
βιβλιογραφία για ανάλογα δείγματα, ή εμπορικά διαθέσιμους καταλύτες όπως του TiO2 Degussa P25.
Για τα κρυσταλλικά δείγματα νανοράβδων ZnO από την τεχνική ASG στους 95 oC, πιο σημαντικό ρόλο παίζει η κατευθυντικότητά τους, η ομοιομορφία τους και ο λόγος
μήκους / διάμετρο (L/D), που αποτελεί και δείκτη της επιφάνειας επαφής τους με το περιβάλλον. Οι νανοράβδοι ZnO εμφανίζουν σημαντική φωτοκαταλυτική δράση καθώς και αντιστρεπτή μετάβαση από υδρόφοβη σε υπέρ‐υδρόφιλη συμπεριφορά κάτω από εκφώτιση σε UV‐A, γεγονός που υποδηλώνει την προοπτική για εφαρμογή τους σε
αυτοκαθαριζόμενες επιφάνειες.
|
Ανάπτυξη νανοδομών και λεπτών υμενίων ZnO και TiO2 με χημικές τεχνικές και μελέτη της φωτοκαταλυτικής τους δράσης
