Nanomaterijali na bazi cirkonijum(iv)-oksida: sinteza, karakterizacija i primena u fotokatalizi pod dejstvom simuliranog sunčevog zračenja

Abstract

Predmet istraživanja ove doktorske disertacije je razvoj metoda sinteze nanomaterijala na bazi cirkonijum(IV)-oksida (ZrO2), karakterizacija dobijenih materijala primenom različitih fizičkohemijskih metoda kao i ispitivanje mogućnosti njihove primene u fotokatalitičkoj razgradnji model jedinjenja pod uticajem simuliranog sunčevog zračenja. Prvi deo teze se odnosi na ispitivanje strukturnih, morfoloških, površinskih, optičkih i fotokatalitičkih svojstava nanomaterijala na bazi ZrO2 velike specifične površine sintetisanih primenom hidrotermalne metode. U cilju dobijanja uzoraka što veće specifične površine, tokom sinteze u strukturu ZrO2 ugrađeni su joni silicijuma (Si4+). Čist ZrO2 odlikuje prisustvo monoklinične kristalne faze i veličina čestica od oko 20 nm. Ugrađivanje jona Si4+ u kristalnu strukturu ZrO2 uzrokuje stabilizaciju metastabilne tetragonalne faze i smanjenje veličine čestica ZrO2. Ugrađivanje jona Si4+ takođe rezultuje povećanjem (oko 7 puta) specifične površine i smanjenjem efektivnog energetskog procepa sintetisanih ZrO2 nanomaterijala, od 5 eV za čist ZrO2 do 3,8 eV za dopirane uzorke. FTIC merenja su dokazala prisustvo Zr-O-Si veza u uzorcima. Svi ZrO2 uzorci su pokazali značajnu fotokatalitičku aktivnost u degradaciji 2,4,6-trihlorfenola pod uticajem simuliranog sunčevog zračenja koja je povećana ugradnjom Si4+ jona u strukturu ZrO2...

The subject of this PhD thesis is the synthesis of nanomaterials based on zirconium(IV) oxide (ZrO2), their characterization by various physicochemical methods, as well as an investigation of their potential application in the photocatalytic degradation of selected model compounds under simulated solar light. The first section of the thesis refers to the investigation of structural, morphological, surface, optical and photocatalityc properties of ZrO2 nanomaterials with high specific surface area synthesized using hydrothermal method. In order to gain as high specific surface area as possible, Si4+ ions were introduced in ZrO2 matrix during synthesis. Pure ZrO2 crystallizes in a monoclinic crystalline phase with particles of approximately 20 nm in size. The incorporation of Si4+ ions resulted in the stabilization of the tetragonal crystalline phase and the reduction of particle sizes. Furthermore, doping ZrO2 matrix with Si4+ ions resulted in an increase in specific surface area (about seven times) and a decrease in effective band gap of ZrO2 powders from 5 eV for pure ZrO2 to 3.8 eV for doped samples. FTIR measurements proved existence of Zr-O-Si bond in the synthesized samples. All ZrO2 powders showed significant photocatalytic activity regarding degradation of 2,4,6-triclorophenol under simulated solar light, which increases with the incorporation of Si ions in the host matrix...