Mag/héj és üreges szén nanogömb/fém-oxid nanokompozitok

Bakos László Péter, II. évf.(MSc)

Témavezetők: Justh Nóra PhD hallgató

BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék

Dr. Szilágyi Imre Miklós tudományos munkatárs

BME Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék

MTA-BME Műszaki Analitikai Kémiai Kutatócsoport

A napenergia fotokatalízishez történő felhasználása egy környezetbarát módszer szerves szennyező anyagok lebontására és szennyvíz kezelésére. A félvezető-oxidok, mint a TiO2 és a ZnO, elterjedt fotokatalizátorok, mivel kémiailag stabilak, nem-toxikusak és nagy reakciókészséggel rendelkeznek. A foto-gerjesztett töltéshordozók a gyors elektron-lyuk rekombináció miatt rövid életűek, tehát célszerű egy ko-katalizátor alkalmazása olyan fotokatalizátorok előállításához, melynél jobb lesz a töltés-szétválás és lassabb a rekombináció. A szén-alapú nanoanyagok (pl. nanocsövek, nanongömbök, fullerének, grafén), nagyon elterjedtek, köszönhetően nagy felületüknek, jó hő- és elektromos vezetőképességüknek, mechanikai és kémiai stabilitásuknak, így ideális anyagok ko-katalizátornak C/fém-oxid kompozitokban. A fém-oxidokat sokféle módszerrel lehet felvinni a különféle szénhordozók felületére, például atomi rétegleválasztással (ALD) is. Az ALD lehetővé teszi nanoszerkezetek felületének kényelmes és homogén bevonását, a réteg vastagsága nanométeres pontosággal szabályozható, így ez egy kiváló lehetőség lehet szén nanogömbök bevonására. A szén nanogömbök emellett alkalmasak lehetnek templátként szervetlen üreges gömbök előállításához, melyek speciális optikai, optoelektronikai, mágneses, elektromos, termikus, elektrokémiai, fotoelektrokémiai és katalitikus tulajdonságokkal rendelkeznek.

TDK munkám célja félvezető-oxid nanorétegek növesztése volt szén nanogömbökre, majd a szén templát kiégetésével üreges oxid nanogömbök előállítása. Az előállított mintákat TG-DTA/MS, FTIR, Raman spektroszkópia, XRD, SEM-EDX, TEM-SAED technikákkal vizsgáltam. Fotokatalitikus aktivitásuk feltérképezéshez metilnarancs festék oldatába raktam a mintákat, majd UV fényben figyeltem a festék bomlását UV-VIS spektroszkópiával.

A hidrotermális módszerrel előállított szén nanogömbökre TiO2-ot és ZnO-ot növesztettem ALD-vel 80 és 250 °C-on titán-tetraklorid [TiCl4], dietil-cink [(CH3-CH2)2Zn] és víz [H2O] prekurzorokat használva. A TG/DTA-MS vizsgálat alapján a szén gömbök bomlása héliumban 300 °C-on kezdődik, így biztonságosan tudtam 250 °C-on végezni az ALD-t a szén templát károsítása nélkül. A levegőben történő termoanalitikai vizsgálatból kiderült, hogy 600 °C-ig kiég a szén mag, így hevítéssel elő tudtam állítani a kompozitokból az üreges oxid gömböket. Az FTIR és Raman spektroszkópiai, valamint az EDX mérések alapján sikeres volt mind az ALD filmnövesztés a szén gömbökön, mind a szén eltávolítása a kiégetés során. Az XRD és a SAED mérések kimutatták, hogy ZnO már az ALD leválasztás után, míg a TiO2 csak hevítés után lett kristályos (anatáz titán-dioxid és hexagonális cink-oxid). A SEM és a TEM mérések szerint a minták megtartották gömb alakjukat leválasztás és kiégetés után is, illetve a kiégetés után üreges szerkezetűek lettek. A fotokatalízis vizsgálatból kiderült, hogy a tiszta szén nanogömb és a szén nanogömb/félvezető-oxid kompozitoknál esetén nincs jelentős fotokatalitikus hatás, ellenben az üreges oxid gömböknél van.

szerző

Bakos László Péter
Vegyészmérnöki mesterképzési szak, nappali MSc
mesterképzés (MA/MSc)

konzulens

Dr. Szilágyi Imre Miklós
egyetemi docens, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék

helyezés

III. helyezett