Nanoszerkezetű TiO2 szol-gél bevonatok fotoaktivitása

Abstract

Napjainkban egyre nagyobb érdeklődés övezi a fotoaktív félvezető anyagokat, köszönhetően ígéretes felhasználási lehetőségeiknek az energiaátalakítás és a környezetvédelem területén. A félvezető tulajdonságú titán-dioxid hatékonyan alkalmazható a napfény elektromos energiává való átalakításában, illetve szerves szennyező anyagok fény hatására bekövetkező lebontásában. A fotokatalizátorok víz- illetve levegőtisztításban való alkalmazásának egyik ígéretes területe az öntisztító bevonatok. Az ilyen öntisztító tulajdonságú, általában titándioxid alapú bevonatok képesek a környezeti hatásokat (napfény, esővíz) felhasználni a felület hosszú távú tisztán tartására: így például egy közúti lámpabura, vagy egy magas épület ablaka, tetőcserepei, melyet ilyen bevonattal látnak el, csak ritkábban szorulnak tisztításra. A gyakorlati alkalmazások szempontjából előnyös nagy fajlagos felületű, mezopórusos szerkezettel rendelkező TiO2 bevonatokat fejleszteni és tanulmányozni. Az ilyen bevonatok egyik ígéretes előállítási lehetősége a szol-gél eljárás: ez a nedves-kémiai módszer alkalmas különböző fém-oxid rendszerek, köztük igen vékony bevonatok viszonylag alacsony hőmérsékleten, kevés költséggel járó szintézisére. Fontos előnye, hogy a kialakított bevonatok összetétele, rétegvastagsága és szerkezete könnyen szabályozható az előállítási körülmények megfelelő megválasztásával. A TiO2 fotoaktivitásának növelésére gyakran alkalmaznak nemesfémekkel, például ezüsttel való adalékolást. A szol-gél módszer alkalmazása esetében az ezüst adalékolást gyakran úgy valósítják meg, hogy valamilyen ezüst-vegyületet (pl. AgNO3-ot) kevernek a kiindulási prekurzor szolhoz, így a hőkezelési lépés után egy TiO2-Ag kompozit rendszer jön létre. Egy másik érdekes ezüst adalékolási módszer a TiO2 szol-gél bevonatok utókezelése AgNO3 vizes oldatában, így egy hőkezelési lépést követően a TiO2 pórusaiban ezüst szemcsék alakulnak ki. Kutatómunkám során mezopórusos TiO2 és ezüsttel adalékolt TiO2 bevonatokat állítottam elő a szol-gél módszerrel üveghordozók felületén, majd különböző módszerekkel jellemeztem fontos funkcionális tulajdonságaikat, elsősorban a minták fotoaktivitását. Részletesen tanulmányoztam, hogy a mezopórusos rendszer paraméterei és az ezüst adalékolás módja és körülményei milyen hatással vannak a fotoaktivitásra, illetve a bevonat egyéb tulajdonságaira. A fotoaktivitás jellemzésére ultraibolya, illetve látható fényben színezék-degradációs teszteket végeztem, különböző mérési elrendezésekben a szilárd-levegő és a szilárd-folyadék határfelületen is vizsgálva a színezék modellanyagok bomlását. Tanulmányoztam, hogy a fotodegradációs tesztek eredményeit hogyan befolyásolja a bevilágítási hullámhossz, illetve a választott színezék modellanyag, annak adszorpciós, asszociációs folyamatai. 

Abstract (AI English translation)

Information popover about translation disclaimer

Nowadays, photoactive semiconductor materials are of increasing interest, thanks to their promising applications in the fields of energy conversion and environmental protection. Semiconducting titanium dioxide can be used effectively in the conversion of sunlight into electrical energy and in the breakdown of organic pollutants under the influence of light. Self-cleaning coatings are one promising area of ​​application of photocatalysts in water and air purification. Such self-cleaning coatings, usually based on titanium dioxide, are able to use the environmental effects (sunlight, rainwater) to keep the surface clean for a long time: for example, a street lamp shade, or the windows and roof tiles of a high-rise building, which are provided with this coating, only need to be cleaned less often. From the point of view of practical applications, it is advantageous to develop and study TiO2 coatings with a high specific surface area and a mesoporous structure. One of the promising options for the production of such coatings is the sol-gel process: this wet-chemical method is suitable for the synthesis of various metal-oxide systems, including very thin coatings, at relatively low temperatures and at low cost. An important advantage is that the composition, layer thickness and structure of the formed coatings can be easily controlled by choosing the right production conditions. Doping with noble metals such as silver is often used to increase the photoactivity of TiO2. In the case of using the sol-gel method, silver doping is often implemented by mixing some silver compound (e.g. AgNO3) with the initial precursor sol, so that a TiO2-Ag composite system is created after the heat treatment step. Another interesting silver doping method is the post-treatment of TiO2 sol-gel coatings in an aqueous solution of AgNO3, so that silver particles are formed in the pores of TiO2 after a heat treatment step. During my research work, I produced mesoporous TiO2 and silver-doped TiO2 coatings on the surface of glass substrates using the sol-gel method, and then characterized their important functional properties with different methods, primarily the photoactivity of the samples. I studied in detail how the parameters of the mesoporous system and the method and conditions of silver doping affect the photoactivity and other properties of the coating. To characterize the photoactivity, I performed dye degradation tests in ultraviolet and visible light, examining the decomposition of the dye model materials at the solid-air and solid-liquid interfaces in different measuring arrangements. I studied how the results of the photodegradation tests are influenced by the illumination wavelength and the selected dye model material, its adsorption and association processes.