Fotokatalitikus mag-héj nanokompozitok
A fotokatalizátorok felhasználhatóak többek között vízfertőtlenítésre, szerves szennyezők oxidálására, öntisztuló bevonatok előállítására napenergia alkalmazásával. A kristályos titán-dioxid egy fontos és széles körben alkalmazott fotokatalizátor, azonban a TiO2-ról közismert, hogy amorf formában nincsen fotokatalitikus aktivitása, csak kristályos anyagként. Nemrég azonban azt találták, hogy az atomi rétegleválasztással (ALD) előállított amorf TiO2 mégis mutathat valamennyi aktivitást1. Az ALD során az egymást követő felület-kontrollált reakcióknak köszönhetően a vékonyfilmek növesztése gázfázisból nanométer pontossággal lehetséges.
A munkám során ALD-vel nanoszemcsékre leválasztott amorf és kristályos TiO2 fotokatalitikus tulajdonságait tanulmányoztam. Referenciaként a TiO2 mellett ALD-vel előállított fotokatalitikusan nem aktív, amorf Al2O3 és fotokatalitikusan aktív, kristályos ZnO bevonatot is vizsgáltam, valamint szol-gél módszerrel leválasztott TiO2-ot. A TiO2 rétegek SiO2 és PMMA (poli-(metil-metakrilát)) nanoszemcsékre lettek leválasztva. A hordozók kiválasztásnál az elsődleges szempont az volt, hogy ne legyenek hatással a TiO2 aktivitására, ne jöjjön létre a fényindukált töltések (e- és h+) szétválása a rétegek között.
A körülbelül 100-150 nm átmérővel rendelkező Ströber szilika szemcsék bázis katalizált hidrolízissel lettek előállítva tetraetoxiszilánból, míg az 50-100 nm átmérőjű PMMA szemcsék emulziós polimerizációval lettek szintetizálva metil-metakrilátból. A TiO2 ALD-vel történő leválasztása 80 °C és 300 °C-on történt, titán-izopropoxid (Ti[OCH(CH3)2]4) és víz prekurzorokból. Az Al2O3 trimetil-alumínium [(CH3)3Al], a ZnO pedig dietil-cink [(CH3-CH2)2Zn] és víz prekurzorokból lett leválasztva 80 °C és 250 °C-on is. A szol-gél módszerrel előállított TiO2 tetra-n-butil-ortotitanát [(C4H9O)4Ti] és etanol prekurzorokból lett előállítva. Mind a tiszta SiO2 és PMMA, mind a belőlük kapott mag-héj szerkezetű nanokompozitokat megvizsgáltam SEM-EDX, TEM, FT-IR és XRD módszerekkel. Végül a PMMA, SiO2, PMMA/TiO2, SiO2/TiO2, SiO2/Al2O3, SiO2/ZnO szemcsék fotokatalitikus aktivitását mértem meg, hogy eldönthessem, hogy az ALD-vel előállított amorf TiO2-nak milyenek a fotokatalitikus tulajdonságai a kristályos TiO2, illetve a referencia ZnO és Al2O3 rétegekhez képest. A fotokatalitikus reakciókat metil-narancs festék bomlásán keresztül vizsgáltam, amit UV-Vis spektrométerrel követtem nyomon.
Az ALD-vel előállított TiO2 80 °C-on amorf, 300 °C-on pedig kristályos volt, az Al2O3 mind 80 °C, mind 250 °C-on amorf, míg a ZnO mindkét hőmérsékleten kristályos volt. A SiO2 és PMMA szemcséket sikerült teljesen bevonni a leválasztott oxidokkal. A mérések eredménye szerint valóban volt fotokatalitikus hatása a SiO2-ra és PMMA-ra leválasztott amorf TiO2 rétegnek, az Al2O3 nem volt aktív és a ZnO, valamint a szol-gél módszerrel előállított TiO2 jó fotokatalitikus aktivitást mutatott. A fotokatalitikus aktivitást nagy mértékben befolyásolta , hogy milyen hordozóra van leválasztva az amorf TiO2 réteg.
Irodalom:
1. Szilagyi IM, Teucher G, Harkonen E, Farm E, Hatanpaa T, Nikitin T, Khriachtchev L, Rasanen M, Ritala M, Leskela M, Programming nanostructured soft biological surfaces by atomic layer deposition, Nanotechnology 24 (2013) 245701.
szerző
-
Kéri Orsolya
Vegyészmérnöki mesterképzési szak, nappali MSc
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Dr. Szilágyi Imre Miklós
egyetemi docens, Szervetlen és Analitikai Kémia Tanszék