Photocatalytic oxidation of methyl tert-butyl ether in presence of various phase compositions of TiO2

MTBE (methyl tert-butyl ether) represents a rising threat to the environment, especially drinking water, and its effective removal (with all by-products) is necessary. Even a very low concentration of MTBE makes the water undrinkable; therefore, an effective treatment has to be developed. This work is focused on MTBE photocatalytic oxidation in presence of various TiO2 photocatalysts with different phase composition prepared by different methods. It was confirmed the phase composition of TiO2 had the most significant influence on the photocatalytic degradation of MTBE. The rutile phase more easily reduces adsorbed oxygen by photogenerated electrons to superoxide radical, supporting separation of charge carriers. The presence and concentrations of by-products have to be taken into account as well. The conversion of total organic carbon (TOC) was used for the comparison, 40% of TOC was removed after 1 h of irradiation in presence of TiO2-ISOP-C/800 photocatalyst composed of anatase and rutile phase.Web of Science101art. no. 3

Photocatalytic and photochemical decomposition of N2O on ZnS-MMT Catalyst

ZnS nanoparticles stabilized by cetyltrimethylammonium bromide were deposited on montmorillonite forming the ZnS-MMT nanocomposite. The nanocomposite was characterized by UV–vis DRS, SEM-EDAX, FTIR, XRD and nitrogen physisorption and tested for N2O photocatalytic decomposition in an annular batch reactor illuminated with an 8 W Hg lamp (254 nm wavelength). Photolysis of N2O was tested at the same conditions. The N2O conversion in inert gas was 79% after 24 h of illumination and was attributed to the simultaneous N2O photocatalytic and photochemical decomposition. The presence of water vapor inhibited photocatalytic reaction pathway while N2O photolysis was improved. Photocatalytic performance was higher with catalyst in fluidized bed than in fixed bed. The reason is that both mass and photon transfer to the photocatalyst was maximized. Better results were obtained with Zn-MMT compared to Evonic P25 catalyst.Web of Science230666

Photocatalytic decomposition of N2O by using nanostructured graphitic carbon nitride/zinc oxide photocatalysts immobilized on foam

The aim of this work was to deposit cost-effective g-C3N4/ZnO nanocomposite photocatalysts (weight ratios of g-C3N4:ZnO from 0.05:1 to 3:1) as well as pure ZnO and g-C3N4 on Al2O3 foam and to study their photocatalytic efficiency for the photocatalytic decomposition of N2O, which was studied in a home-made batch photoreactor under ultraviolet A irradiation (lambda = 365 nm). Based on the photocatalysis measurements, it was found that photocatalytic decomposition of N2O in the presence of all the prepared samples was significantly higher in comparison with photolysis. The photoactivity of the investigated nanocomposite photocatalysts increased in the following order: g-C3N4/ZnO (3:1) approximate to g-C3N4/ZnO (0.45:1) <= g-C3N4/ZnO (2:1) ZnO < g-C3N4 < g-C3N4/ZnO (0.05:1). The g-C3N4/ZnO (0.05:1) nanocomposite showed the best photocatalytic behavior and the most effective separation of photoinduced electron-hole pairs from all nanocomposites. The key roles played in photocatalytic activity were the electron-hole separation and the position and potential of the valence and conduction band. On the other hand, the specific surface area and band gap energy were not the significant factors in N2O photocatalytic decomposition. Immobilization of the photocatalyst on the foam permits facile manipulation after photocatalytic reaction and their repeated application.Web of Science99art. no. 73

Porous vs. nanotubular anodic TiO2: Does the morphology really matters for the photodegradation of caffeine?

Herein, the preparation of nanotubular and porous TiO2 structures (TNS) is presented for photocatalytic applications. Different TNS were prepared in three different types of glycerol- and ethylene glycol-based electrolytes on a large area (approx. 20 cm(2)) via anodization using different conditions (applied potential, fluoride concentration). Morphology, structure, and optical properties of TNS were characterized by Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Diffractometry (XRD), and Diffuse Reflectance Spectroscopy (DRS), respectively. All TNS possess optical band-gap energy (E-BG) in the range from 3.1 eV to 3.2 eV. Photocatalytic degradation of caffeine was conducted to evaluate the efficiency of TNS. Overall, nanotubular TiO2 possessed enhanced degradation efficiencies (up to 50% degradation) compared to those of porous TiO2 (up to 30% degradation). This is due to the unique properties of nanotubular TiO2, e.g., improved incident light utilization. As the anodization of large areas is, nowadays, becoming a trend, we show that both nanotubular and porous TiO2 are promising for their use in photocatalysis and could be potentially applicable in photoreactors for wastewater treatment. We believe this present work can be the foundation for future development of efficient TiO2 nanostructures for industrial applications.Web of Science127art. no. 100

Anodic TiO2 nanotube layers for wastewater and air treatments: Assessment of performance using sulfamethoxazole degradation and N2O reduction

The preparation of anodic TiO2 nanotube layers has been performed using electrochemical anodization of Ti foil for 4 h at different voltages (from 0 V to 80 V). In addition, a TiO2 thin layer has been also prepared using the sol-gel method. All the photocatalysts have been characterized by XRD, SEM, and DRS to investigate the crystalline phase composition, the surface morphology, and the optical properties, respectively. The performance of the photocatalyst has been assessed in versatile photocatalytic reactions including the reduction of N2O gas and the oxidation of aqueous sulfamethoxazole. Due to their high specific surface area and excellent charge carriers transport, anodic TiO2 nanotube layers have exhibited the highest N2O conversion rate (up to 10% after 22 h) and the highest degradation extent of sulfamethoxazole (about 65% after 4 h) under UVA light. The degradation mechanism of sulfamethoxazole has been investigated by analyzing its transformation products by LC-MS and the predominant role of hydroxyl radicals has been confirmed. Finally, the efficiency of the anodic TiO2 nanotube layer has been tested in real wastewater reaching up to 45% of sulfamethoxazole degradation after 4 h.Web of Science2724art. no. 895

Influence of reductant on CO2 photocatalytic reduction yield

Import 04/07/2011Bakalářská práce je zaměřená na fotokatalytickou redukci oxidu uhličitého v přítomnosti katalyzátoru ZnS naneseném na montmorillonit. Účelem fotoredukce oxidu uhličitého je jeho přeměna na méně škodlivé a lépe využitelné látky. Fotokatalytická redukce oxidu uhličitého byla prováděna ve vsádkovém míchaném anulárním reaktoru se suspendovaným katalyzátorem ZnS-MMT ve čtyřech odlišných vodných roztocích (NaOH, NH4OH, NaOH+Na2SO3 a NH4OH+Na2SO3). Roztoky byly nasyceny oxidem uhličitým a ozařovány 8 W Hg lampou s vlnovou délkou 254 nm, která byla umístěna v trubici z křemenného skla. Produkty fotoredukce v plynné fázi byly methan, oxid uhelnatý a vodík. V kapalné fázi byl detekován methanol. Na základě experimentálních výsledků lze říci, že výtěžky produktů se lišily v závislosti na redukčním prostředí. Pokud porovnáváme fotokatalytickou redukci CO2 ve vodném roztoku NaOH a NH4OH vyšší výtěžky CH4 a CH3OH byly v roztoku NaOH. Přídavek Na2SO3 zvýšil výtěžky produktů fotokatalytické redukce CO2 pouze v kapalné fázi. Vzhledem k výtěžku methanu, který je hlavním produktem fotokatalytické redukce CO2 byl optimálním prostředím zvolen vodný roztok NaOH.This work is focused on photocatalytic reduction of carbon dioxide in presence of ZnS photocatalyst loaded on montmorillonite. Purpose of the carbon dioxide photoreduction is to transform CO2 into less harmful and better exploitable materials. Photocatalytic reduction of carbon dioxide was carried out in stirred annular batch reactor. Photocatalyst ZnS-MMT was suspended in four different aqueous solutions (NaOH, NH4OH, NaOH+Na2SO3 a NH4OH+Na2SO3). These solutions were saturated by CO2 and than irradiated by 8W Hg lamp with wavelength 254 nm. This UV lamp was placed into quartz glass tube. Products of the photoreduction were methane, carbon monooxide and hydrogen in gas phase and methanol in liquid phase. Based on experimental datas we can say that yields of products were different in dependence on reduction medium. If the yields of CH4 and CH3OH gained from aqueous solutions NaOH and NH4OH are compared higher yields were gained in NaOH solution. Addition of Na2SO3 increased yields of products of photocatalytic reduction of CO2 only in liquid phase. NaOH was determined as the optimal reduction medium becouse of the highest yields of methane which is main product of photocatalytic reduction of CO2616 - Katedra ochrany životního prostředí v průmysluvýborn

Photocatalytic decomposition of N2O over ZnS nanoparticles immobilized on montmorillonite

Import 26/06/2013Diplomová práce je zaměřená na fotokatalytický rozklad oxidu dusného v přítomnosti katalyzátoru ZnS imobilizovaném na montmorillonitu (ZnS-MMT). Účelem fotokatalytického rozkladu oxidu dusného, jakožto jednoho ze skleníkových plynů, je jeho přeměna na kyslík a dusík, které jsou přirozenými složkami ovzduší. Nanočástice ZnS byly připraveny precipitací v přítomnosti kationaktivního tenzidu a nanosuspenze byla deponována na jílový minerál montmorillonit. Připravený katalyzátor byl charakterizován atomovou absorpční spektrometrií, transmisní elektronovou mikroskopií a měřením UV-Vis spekter. Fotokatalytický rozklad oxidu dusného byl prováděn ve vsádkovém míchaném reaktoru v přítomnosti práškového katalyzátoru ZnS-MMT s použitím 8 W Hg lampy s vlnovou délkou 254 nm, která byla umístěna v trubici z křemenného skla. Experimentálně bylo určeno optimální množství použitého katalyzátoru ZnS-MMT z hlediska maximální konverze N2O. Toto množství (0,1 g katalyzátoru) bylo následně použito ve všech kinetických experimentech. Při experimentálním studiu fotokatalytického rozkladu N2O v přítomnosti nanočástic ZnS-MMT bylo po 24 hodinách ozařování dosaženo konverze 78,8 %. Rovněž bylo zkoumáno, zda přítomnost vodní páry či kyslíku ovlivňuje účinnost fotokatalytického rozkladu N2O. Přítomnost vodní páry výrazně snížila konverzi N2O (pouze 57,2 %), což mohlo být způsobeno její adsorpcí na povrch katalyzátoru a tím k blokování aktivních míst pro adsorpci N2O. Adsorpce H2O může také způsobit i menší pronikání světla a tím snížit účinnost fotokatalytického rozkladu N2O. Naopak přítomnost kyslíku měla na fotokatalytický rozklad N2O vliv příznivý. Kyslík pravděpodobně reagoval se vznikajícími dírami za vzniku radikálu •O-, který pak dále reagoval s N2O za vzniku dusíku a kyslíku. Vyhodnocení kinetických dat potvrdilo předpoklad, že fotokatalytický rozklad N2O odpovídá 1. řádu rychlosti reakce.Diploma thesis is aimed on photocatalytic decomposition of nitrous oxide in presence of ZnS catalyst immobilized on montmorillonite (ZnS-MMT). The purpose of photocatalytic decomposition of nitrous oxide, one of the greenhouse gases, is his transformation to oxygen and nitrogen; both are natural compounds in the atmosphere. Nanoparticles of ZnS were prepared by precipitation in presence of cationactive surfactant and the nanosuspension was deposited on clay mineral montmorillonite. Prepared catalyst was characterized by atomic absorption spectroscopy, transmission electron microscopy and by measuring UV-Vis spectra. Photocatalytic decomposition of nitrous oxide was carried out in stirred batch reactor in presence of powder catalyst ZnS-MMT. 8 W Hg lamp with wavelength 254 nm was used and the lamp was placed into quartz glass tube. Optimal amount of used catalyst ZnS-MMT was experimentally determined from maximal conversion of N2O point of view. This amount (0.1 g catalyst) was used in all kinetic experiments. Conversion 78.8% after 24 hours of irradiation was reached during experimental study of photocatalytic decomposition of N2O in presence of nanoparticles of ZnS-MMT. Also influence of presence of water vapor and oxygen on photocatalytic decomposition of N2O was investigated. Presence of water vapor significantly decreased conversion of N2O (only 57.2%), which could be caused by its adsorption on catalyst’s surface and hence blocking active sites for adsorption of N2O. Adsorption of water can also lower penetration of light and hence lower efficiency of photocatalytic decomposition of N2O. On the other side presence of oxygen had positive influence on photocatalytic decomposition of N2O. Oxygen most likely reacted with evolved holes and formed radical •O- which reacted with N2O and formed nitrogen and oxygen. Evaluation of kinetic data confirmed assumption that photocatalytic decomposition of N2O corresponds to first order of reaction rate.619 - Katedra fyzikální chemie a teorie technologických pochodůvýborn

Photocatalytic Decomposition of Nitrous Oxide

Disertační práce studuje fotokatalytický rozkladu oxidu dusného v přítomnosti fotokatalyzátorů na bázi TiO2. Celkem bylo zkoumáno 5 sérií fotokatalyzátorů. První sérií tvořily fotokatalyzátory modifikované vysokým obsahem ceru (5 mol.% a 30 mol.%). Dále byly testovány fotokatalyzátory s malými obsahy ceru (0,3 – 0,8 mol.%). Třetí studovanou sérií byly fotokatalyzátory modifikované dusíkem, kde čistý oxid titaničitý byl připraven různými metodami. Rovněž byly studovány fotokatalyzátory modifikované grafitizovaným nitridem uhlíku a jako čistý TiO2 byl použit komerční Evonik P25. Fotokatalyzátory TiO2/g-C3N4 byly připraveny v poměru 0,3:1 – 2:1. V poslední sérii byl opět použit grafitizovaný C3N4, ale oxid titaničitý byl připraven sol-gel metodou a poměry TiO2 a g-C3N4 byly 1:2 – 1:6. K charakterizaci připravených fotokatalyzátorů byly použity spektroskopické metody (XPS, XRF, UV-Vis, Ramanova a FT-IR, fotoluminiscenční spektroskopie), RTG, TEM, SEM a specifický povrch a distribuce velikosti pórů byly stanoveny prostřednictvím fyzisorpce dusíku při 77 K. Fotolektrochemické vlastnosti byly charakterizovány měřením fotoproudu. Na základě charakterizací byly zjištěné fyzikálně-chemické vlastnosti fotokatalyzátorů korelovány s jejich aktivitou pro fotokatalytický rozklad N2O. Fotokatalytický rozklad N2O byl prováděn v míchaných vsádkových fotoreaktorech a jako reaktant byl používán oxid dusný v heliu nebo dusíku. Zdrojem záření byla 8 W Hg lampa s vlnovou délkou 254 nm a 365 nm. Nejvyšší aktivitu v sérii fotokatalyzátorů s vysokým obsahem ceru vykazoval fotokatalyzátor Ce0,05Ti0,95O2. Nízká aktivita u připraveného fotokatalyzátoru s obsahem 30 mol.% byla vysvětlena přítomností amorfních podílů (CeTi2O6). V sérii Ce/TiO2 fotokatalyzátorů s malými obsahy ceru bylo nejvyšší konverze N2O dosaženo v přítomnosti fotokatalyzátoru s 0,3 mol.% ceru. Vyšší fotokatalytická účinnost byla způsobena optimálním poměrem Ce3+/Ce4+ iontů, Ce3+ ionty mohly interagovat se vzniklými dírami, čímž došlo k potlačení rekombinace generovaných elektronů a děr. U fotokatalyzátorů modifikovaných dusíkem došlo ke zvýšení fotokatalytické aktivity ve srovnání s čistým TiO2 připraveným sol-gel metodou s následnou kalcinací či extrakcí. Klíčovou roli zde pravděpodobně hrála vakantní místa ve struktuře materiálu. Modifikování komerčního TiO2 grafitizovaným C3N4 vedlo ke zvýšení fotokatalytické aktivity připravených nanokompozitů ve srovnání s čistým TiO2 či g-C3N4. Zvýšení fotokatalytické aktivity souvisí nejen s velikostí krystalitu rutilu a energií zakázaného pásu polovodičů, ale především se separací nosičů náboje. Optimální poměr TiO2 a g-C3N4 v závislosti na fotokatalytické aktivitě byl stanoven na 0,3:1. V případě modifikování TiO2 připraveného sol-gel metodou byla aktivita studována v přítomnosti UVC a UVA záření. Zatímco v přítomnosti UVC záření je aktivita všech připravených fotokatalyzátorů téměř stejná, v případě UVA záření vykazoval nejvyšší fotokatalytickou aktivitu fotokatalyzátor TiO2/g-C3N4 (1:2). Fotokatalytické experimenty byly rovněž potvrzeny měřením fotoelektrochemických proudů. U fotokatalyzátorů došlo k vytvoření heteropřechodu mezi TiO2 a g-C3N4, který vedl ke snížení rekombinace elektronů a děr a následně k vyšší fotokatalytické aktivitě.Vybrané nejaktivnější fotokatalyzátory každé sady byly srovnány mezi sebou a porovnány s komerčním TiO2. Všechny studované fotokatalyzátory vykazovaly při fotokatalytickém rozkladu N2O vyšší aktivitu než Evonik P25.This doctoral thesis deals with photocatalytic decomposition of N2O, with the use of titanium dioxide based photocatalysts. Five series of photocatalysts were used altogether. The first set contained cerium modified photocatalysts, cerium content being 5 mol.% and 30 mol.%. The next set contained photocatalysts with low cerium contents (0.3 – 0.8 mol.%). In the third series, there were nitrogen modified photocatalysts, in which titanium dioxide was prepared by different methods. different methods. Another set that was investigated included photocatalysts modified by graphitic carbon nitride. Commonly available Evonik P25 was used as pure TiO2. TiO2/g-C3N4 photocatalysts were prepared in the ratio 0.3:1 – 2:1. For the last set that was investigated, graphitic C3N4 was used again, but titanium dioxide was prepared by the sol-gel method, and the TiO2 to g-C3N4 ratios were 1:2 – 1:6. The photocatalysts were characterised by means of different spectroscopic methods (XPS, XRF, UV-Vis, Raman, FT-IR), as well as RTG and TEM, SEM and nitrogen physisorption at 77 K. Photo-electrochemical properties were characterised by means of photometric measurement. Physico-chemical properties of the photocatalysts which were determined by the above mentioned characterisations were correlated with their activity in photocatalytic decomposition of N2O. Photocatalytic decomposition of nitrous oxide was performed in stirred batch photoreactors, while nitrous oxide in helium or nitrogen was used as a reactor. The source of irradiation was a 8 W Hg lamp, with wavelengths of 254 nm a 365 nm. The highest activity in the series of photocatalysts with a high cerium content was displayed by the photocatalyst Ce0,05Ti0,95O2. In the series of Ce/TiO2 photocatalysts with low cerium contents, the highest levels of N2O conversion were reached with the photocatalyst with 0,3 mol.% cerium content. The higher photocatalytic efficiency was the result of an ideal ratio of Ce3+/Ce4+ ions. In nitrogen modified photocatalysts, there was an increase in photocatalytic activity, in comparison with pure TiO2 prepared by means of the sol-gel method, followed by calcination or extraction. This is probably mainly due to the occurrence of vacancies in material structure. Modifying the commonly available TiO2, i. e. Evonik P25, with the use of graphitic C3N4 led to an increase in photocatalytic activity of the prepared nanocomposites, in comparison with pure TiO2 or g-C3N4. The increase in photocatalytic activity is related not only to the size of rutile crystallite and semiconductor band gap energy, but especially to charge carrier separation. In the case of modifying TiO2 prepared by the sol-gel method, the activity was studied in UVC and UVA radiation. When UVC radiation is used, activity of all the prepared photocatalysts is almost identical. while in the case of UVA, the highest photocatalytic activity was displayed by TiO2/g-C3N4 (1:2). Photocatalytic experiments were confirmed by measurement of photo-electro-chemical currents. In photocatalysts, a heterojunction was created between the TiO2 and g-C3N4, leading to a decrease in recombination rates of electrons and holes, which in turn resulted in higher photocatalytic activity. Some of the most active photocatalysts from each set were compared with each other, as well as with the commonly available TiO2 Evonik P25. All the investigated photocatalysts displayed higher activity in photocatalytic decomposition of N2O than Evonik P25.9350 - Institut environmentálních technologiívyhově

Vliv reakčního prostředí na výtěžky fotokatalytické redukce CO2 v přítomnosti ZnS-MMT

The reduction of CO2 by photocatalysts is one of the most promising methods since CO2 can be reduced to useful compounds by irradiating it with UV light at room temperature and ambient pressure. The aim of this work was to assess the effect of a reaction media on CO2 photocatalytic reduction yields over ZnS nanoparticles deposited on montmorillonite (ZnS-MMT). Four different reaction media, such as NaOH, NaOH+Na2SO3 (1:1), NH4OH, NH4OH+Na2SO3 (1:1), were tested. The pure sodium hydroxide was better than ammonium hydroxide for the yields of the both gas phase (CH4 and CO) and liquid phase (CH3OH). The addition of Na2SO3 improved methanol yields due to the oxidation prevention of incipient methanol to carbon dioxide. The gas phase yields were decreased by the Na2SO3 addition. The best tested reaction medium for the photocatalytic reduction of CO2 was the solution of sodium hydroxide.Redukce CO2 pomocí fotokatalyzátorů je jedna z nejslibnějších metod, jelikož CO2 může být redukován na užitečné sloučeniny ozařováním UV zářením při pokojové teplotě a tlaku. Tato práce byla zaměřena na posouzení vlivu reakčních prostředí na výtěžky fotokatalytické redukce CO2 v přítomnosti nanočástic ZnS nanesených na montmorillonit (ZnS-MMT). Byla testována čtyři různá reakční prostředí, NaOH, NaOH+Na2SO3 (1:1), NH4OH, NH4OH+Na2SO3 (1:1). Výtěžky v obou fázích, plynné (CH4 a CO) i kapalné (CH3OH), byly vyšší v čistém hydroxidu sodném než v hydroxidu amonném. Přídavek Na2SO3 zvýšil výtěžky methanolu a to díky zamezení oxidace vznikajícího methanolu zpět na oxid uhličitý. Výtěžky plynné fáze se však po přídavku Na2SO3 snížily. Nejlepším z testovaných reakčních prostředí pro fotokatalytickou redukci CO2 byl roztok hydroxidu sodného

Investigating the effect of rGO on microstructural and electrical properties of La0.9Sr0.1Ga0.8Mg0.2O3 in intermediate temperature SOFCs

Despite the high demand for green energy sources, the low performance of solid oxide fuel cells (SOFCs) at low temperatures hinders their potential practical application. Ceramic reduced graphene oxide (rGO) composites are promising candidates as solid electrolytes for SOFCs enabling efficient heat transfer and effective ionic charge carrier transport. In the present work, x%rGO + LSGM (x = 0, 0.25, 1, and 2 wt%) composites were fabricated using the sol-gel method, and a thorough characterization of the materials' properties was conducted including structural and electrical properties for their possible use in SOFC applications. XRD was used to investigate the structural properties of x%rGO + LSGM composite precursors. All the XRD patterns corresponding to the LSGM based precursor peaks showed a single phase structure without any impurities. To identify the signal from rGO in the samples manufactured from composite powders, Raman spectra were obtained at different points by using various wavelengths. The microstructure of 2%rGO + LSGM shows similar to 96.1% relative density and a grain size of similar to 1.86 mu m when annealed at 1300 degrees C for 5 h in air. The temperature dependencies of grain and ionic conductivities of the rGO + LSGM composite precursors were revealed for the first time. Temperature dependence of the ionic conductivity of 2%rGO + LSGM at 750 degrees C is about 0.051 S cm(-1) whereas the grain conductivity of 1%rGO + LSGM is half of the grain conductivity of 2%rGO + LSGM at 550 degrees C. The activation energy of 0.25-2% rGO with the addition of sintering aids at T > 400 degrees C is 0.85 eV, 0.81 eV, and 0.86 eV, respectively, leading to efficient ionic conduction at intermediate temperature.Web of Science6143476346