• شماره ركورد
    31507
  • پديد آورنده

    مريم احمدي

  • عنوان
    مطالعه، ساخت و ارزيابي فوتوكاتاليست¬هاي بر مبناي TiO2 براي تبديل CO2 به يك محصول با ارزش افزوده
  • مقطع تحصيلي
    دكتري
  • رشته تحصيلي
    مهندسي شيمي
  • سال تحصيل
    1395
  • تاريخ دفاع
    1403/07/23
  • استاد راهنما
    سيد مهدي علوي
  • استاد مشاور
    دكتر افسانه لاريمي
  • دانشكده
    مهندسي شيمي
  • چكيده
    استفاده از تكنولوژي فتوكاتاليستي براي كاهش غلظت دي اكسيد كربن در جو و تبديل آن به محصولات با ارزش افزوده، همواره به‌عنوان يك روش نوين و كارآمد مطرح مي‌شود. با توجه به ويژگي‌هاي منحصربه‌فرد اكسيد تيتانيم، اين نيمه‌رسانا به عنوان كاتاليست اصلي در اين مطالعه انتخاب شده است. در ابتدا، اكسيد تيتانيم با ساختار نانو كمربند سنتز و ارزيابي شد. سپس، به‌منظور بهبود عملكرد فتوكاتاليستي اكسيد تيتانيم، سه نيمه‌رساناي ديگر (Bi2WO6، BiVO4 و Bi2MoO6) با مورفولوژي نانوصفحه به صورت جداگانه و با مقادير مختلف روي اكسيد تيتانيم بارگذاري شدند. تأثير تركيب دو نيمه‌رسانا (با ايجاد ساختار ناهمگون) و نسبت مولي بين آن‌ها بر خواص و عملكرد كاتاليست در فرايند تبديل دي اكسيد كربن به متان مورد بررسي قرار گرفت. علاوه بر ايجاد كامپوزيت بين دو نيمه‌رسانا، نسبت مولي بين آن‌ها نيز بر خواص و عملكرد تأثيرگذار بود. در نمونه¬هاي Bi2WO6/TiO2 نمونه Bi2WO6/2TiO2 با نسبت 1:2 بين نيمه رساناهاي Bi2WO6:TiO2 نمونه منتخب با توليد چهار برابر متان نسبت به اكسيد تيتانيم بود. در سري نمونه¬هاي BiVO4/TiO2 نمونه BiVO4/2TiO2 با نسبت 1:2 بين نيمه رساناهاي BiVO4:TiO2 نمونه منتخب با توليد شش برابر متان نسبت به نانوميله¬هاي اكسيد تيتانيم بود. در نهايت، در نمونه¬هاي Bi2MoO6/TiO2 نمونه Bi2MoO6/4TiO2 با نسبت 1:4 بين دو نيمه رسانا Bi2MoO6:TiO2 عملكرد مناسبي داشت. در بين تمام نمونه¬هاي كامپوزيتي تهيه شده، نمونه Bi2MoO6/4TiO2 بيشترين توليد متان را با مقدار حدود 9 برابر بيشتر از اكسيد تيتانيم داشت ( 1-µmol.g 36). بعد از تعيين نمونه كامپوزيتي برتر و به منظور ارتقا عملكرد فتوكاتاليست، در مرحله بعد كمك-كاتاليست¬هاي مختلف (Cu, Ni, Mn, Ce, Co) توسط امواج التراسوند روي نمونه كامپوزيتي بهينه بارگذاري شدند و نمونه حاوي كمك‌كاتاليست نيكل عملكرد بهتري را نسبت به ساير نمونه‌هاي سه‌گانه و كامپوزيت پايه از خود نشان داد. بعد از آن، براي بررسي تأثير بارگذاري دو كمك‌كاتاليست، مس و پلاتين به صورت تكي و دوتايي روي نمونه كامپوزيتي بهينه (Bi2MoO6/4TiO2) بارگذاري شدند. نتايج نشان داد كه نمونه حاوي پلاتين عملكرد حدود 20 درصد بهتر در توليد متان نسبت به نمونه حاوي مس و نمونه دوتايي توليد متان دو برابري نسبت به كامپوزيت پايه دارد. در بخش بعدي، افزودن ناخالصي فلزي و غيرفلزي در ساختار اكسيد تيتانيم با افزودن غلظت‌هاي مختلف از فلز تنگستن (5، 3 و 1 = x) و نافلز نيتروژن (3، 2 و 1 = x) به ساختار اكسيد تيتانيم بررسي شد. نمونه¬هاي با 3 درصد وزني تنگستن و 2 درصد وزني نيتروژن بيشترين مقدار متان توليدي را در بين نمونه¬ها تك دوپ شده داشتند. براي ارتقا عملكرد اكسيد تيتانيم، دو روش مختلف (حضور ناخالصي در ساختار اكسيد تيتانيم و تركيب كردن دو نيمه رسانا) مورد ارزيابي قرار گرفت. در بخش ديگر، نيكل به جاي تنگستن مورد استفاده قرار گرفت و در بين غلظت¬هاي مختلف نيكل (5، 3 و 1 = x) به عنوان ناخالصي، اكسيد تيتانيم حاوي 3 درصد وزني نيكل عملكرد بهينه داشت. همچنين، تأثير همزمان دو نوع ناخالصي، نيكل و نيتروژن، در ساختار اكسيد تيتانيم نشان داد كه توليد متان به دليل اثر هم افزايي اين دو ناخالصي تا 10 برابر افزايش داشته است. همچنين، استفاده همزمان از روش‌هاي ارتقا چندگانه، از جمله استفاده همزمان از روش افزودن ناخالصي به اكسيد تيتانيم و تركيب كردن آن با نيمه رساناي ديگر، نتايج قابل قبولي را به دنبال داشته است.
  • تاريخ ورود اطلاعات
    1403/08/15
  • عنوان به انگليسي
    Preparation and eva‎luation of Titanium Oxide based Photo-Catalysts for CO2 Conversion To A Valuable Products
  • تاريخ بهره برداري
    1/1/1900 12:00:00 AM
  • دانشجوي وارد كننده اطلاعات

    مريم احمدي

  • چكيده به لاتين
    Photocatalytic conversion of CO2 is an efficient and advanced technology to photoreduction of CO2 into hydrocarbons such as CH4 or CH3OH, etc. However, various catalysts were used in this process. In this study, the TiO2 was selected as the primary photocatalyst due to its chemical stability, low coast, non-toxicity and availability. However, TiO2 comes with its own limitations including weak CO2 adsorption and wide bandgap. Thus, various techniques like coupling with other semiconductors, doping metals and non-metals, and surface modification have been employed to reduce the bandgap of TiO2, limit the electron-hole recombination rate and thus enhance the photoactivity in visible light region. The first part of this research was related to the study of series of Bi2WO6/TiO2 composite photocatalysts with different ratios of Bi2WO6 nanosheets to TiO2 nanobelts (1, ½, ⅓ and ¼) synthesized by hydrothermal method and eva‎luated for CO2 photoreduction. The results showed that loading Bi2WO6 nanosheets on TiO2 nanobelts leads to formation a heterojunction, which enhances the photocatalytic visible light performance by decreasing the recombination rate of photoinduced electron-hole pairs. The maximum CH4 production of 18.95 μmol/gcat in 8 h has been reported for composite with Bi2WO6/TiO₂ ratio of ½, which is 3 times higher than that of bulk Bi2WO6 and pure TiO2. In second part of this investigation, a series of BiVO4/TiO2 photocatalysts with different molar ratios of BiVO4 to TiO2 (1, ½, ⅓ and ¼) was constructed, and eva‎luated for photocatalytic CO2 reduction. The results exhibit that fabrication a heterojunction structure between BiVO4 and TiO2 semiconductors can improve optical properties and electron-holes separation efficiency. The CO2 absorption capacity of TiO2 increases by loading BiVO4 on TiO2. The composite photocatalysts exhibit much higher photocatalytic performance than pure BiVO4 and TiO2 photocatalysts due to formation heterojunction structure between BiVO4 nanosheets and TiO2 nanobelts. BVT2 sample with ½ molar ratio of BiVO4 to TiO2 shows maximum CH4 production (28 µmol/g) in 8 h, which is about 7 times higher than pure TiO2. The third part of this study is dedicated to study of Bi2MoO6/ TiO2 composite with different molar ratios of Bi2MoO6 to TiO2 (1, 1/2, 1/3, 1/4, 1/5 and 1/6), which show enhanced photocatalytic activity comparison to pure Bi2MoO6 and TiO2. In compared to bulk Bi2MoO6 and TiO2, the formation of a heterojunction between Bi2MoO6 and TiO2 leads to enhanced CO2 adsorption. Bi2MoO6/TiO2 composite with ¼ molar ratio had the best performance in 8 h (36.4 µmol/gcat), which was about 10 and 3 times higher than TiO2 and Bi2MoO6 photocatalysts, respectively. In forth part of this study, the influence of the loading different co-catalyst on Bi2MoO6/TiO2 composite was investigated. M-Bi2MoO6/TiO4 samples with different cocatalysts (M: Ni, Ce, Co, Mo, Cu) were prepared by a deposition-ultrasound assistant method. The catalyst with different cocatalysts shows different photocatalytic performances for CO2 reduction. The highest CH4 production was related in Ni-BT sample resulting from the good dispersion of cocatalyst on the support surface, enhanced visible light absorption efficiency, efficient charge migration, and low recombination rate of electron-holes. Furthermore, the effect of platin and copper additions to Bi2MoO6/TiO4 catalyst using the chemical reduction method was investigated. The surface of optimum Bi2MoO6/TiO2 composite was decorated with cooper and/or platinum co-catalyst nanoparticles. Under UV-visible light irradiation, Pt-Cu@BMT4 sample produced highest methane (83.6 µmol/gcat) during CO2 photoreduction. At the last part of study, the effect of nickel concentration in TiO2 photocatalytic properties and effect of nitrogen-nickel co-doping in TiO2 structure was investigated to methane production. Furthermore, effect of construction heterojunction structure between modified TiO2 and Bi2MoO6 semiconductors was investigated in photocatalytic performance. The BM/Ni-N-T photocatalyst exhibits excellent photocatalytic performance for CO2 conversion (67.9 µmol/g), which is several times higher than that of pure TiO2 (3.2 µmol/g). The enhanced composite photocatalytic performance is mainly attributed to nitrogen and nickel co-doping in TiO2 and heterojunction structure, which improve light absorption capacity and charge carrier separation efficiency. The novel Bi2MoO6/W-N-TiO2 catalyst was synthesized and exchibited multiple advantages, such as the combination of incorporation of tungsten and nitrogen into TiO2 lattice and the formation of a heterojunction structure, which can enhance the optical properties and are favorable for photocatalytic conversion of CO2.
  • كليدواژه هاي فارسي
    تبديل فتوكاتاليستي دي اكسيد كربن , اكسيد تيتانيم , هتروجانكشن , كمك كاتاليست , پلاتين , نيكل , متان , دوپ كردن
  • كليدواژه هاي لاتين
    co2 photocatalytic conversion , titanium oxide , heterojunction , co-catalyst , platin , nickel , methane , doping
  • Author
    Maryam Ahmadi
  • SuperVisor
    Dr. Seyyed Mehdi Alavi