Διδακτορικός Φοιτητής

ΝΙΚΟΛΑΟΣ ΡΑΦΑΗΛ ΒΡΙΘΙΑΣ

Email

nvrithias@materials.uoc.gr

Τηλέφωνο

Γραφείο

Προσωπική ιστοσελίδα

Θέμα διδακτορικού

3D Composite Porous Materials for Environmental Applications

Τρισδιάστατα Σύνθετα Πορώδη με Περιβαλλοντικές Εφαρμογές

Επιβλέπων

ΚΕΝΑΝΑΚΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ, Eρευνητής Γ΄, ΙΤΕ, Ηράκλειο Κρήτης

Μέλη Επιτροπής

ΡΕΜΕΔΙΑΚΗΣ ΙΩΑΝΝΗΣ, Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών - ΠΚ

ΚΙΟΣΕΟΓΛΟΥ ΓΕΩΡΓΙΟΣ, Αναπληρωτής Καθηγητής, Τμήμα Επιστήμης και Τεχνολογίας Υλικών - ΠΚ

Abstract

The proposed PhD dissertation focuses on the synthesis of 3D ceramic and polymeric nanocomposites enriched with Metal Oxide nanoparticles such as ZnO, TiO2, WO3 etc., as well as, carbon allotropes (graphene oxide, carbon nanotubes etc.) suitable for environmental applications. In recent years, there has been a particularly strong interest in the degradation of a large number of compounds from the main groups of organic substances found in liquid waste, using Metal Oxide nanoparticle such as as ZnO, TiO2, WO3, etc., under artificial or solar light. Several photocatalysts have been extensively studied in the form of powders with successful results, although their great disadvantage is their inability for reuse. At the same time, stabilized photocatalysts have been studied on fixed substrates, in the form of thin films or nanostructures, overcoming the disadvantages of powders in terms of their reuse, both against liquids and gaseous pollutants, although their disadvantage for practical applications is actually their small physical dimensions. A different approximation that has not been studied so far, is the composition of 3D photocatalysts, in large dimensions, in the order of cm, with the active material being either dispersed within the catalyst, or adsorbed on its surface giving the maximum surface-to-volume ration with the pollutants under study. In this way, either ceramic photocatalytic nanocomposites with controlled geometry and porosity, either polymeric ones using 3D printers with an accuracy of a few tens of micro-measures (50-100 μm), providing enhanced photocatalytic properties. The first category of photocatalytic samples allows their use under high pressure and temperature, while the latter have particular elasticity, enabling them to have a variety of applications in daily use. In addition, with the use of 3D printers, one has the possibility to design and manufacture samples in a variety of geometries and dimensions, adapted for applications of outflow and disinfection filters, solvents, etc., giving a new environmental approach. Within the framework of the proposed doctoral thesis, three-dimensional porous materials based e.g. on carbon or ceramic matrices and photocatalytic nanomaterials e.g. ZnO, TiO2, WO3, etc. are fabricated. The effect of the catalyst type and its concentration, as well as the geometry and the porosity of the final ceramic, are studied. The 3D samples are studied against the photocatalytic degradation of organic pollutants under UV and/or visible radiation, e.g. stearic acid similar to typical organic pollutants found outdoors and indoors (a), methylene blue, etc. having characteristic groups found in typical liquid waste of textile industries (b), as well as pollutants with a structure similar to standard insecticides and pesticides used in agriculture. In addition, polymeric filaments of ~1.75mm diameter are formed using the thermal extrusion technique in order to be used in typical 3D printers, and three-dimensional structures are designed and fabricated, in a mm and cm scale, suitable for innovative environmental applications such as photocatalysis/degradation of organic pollutants The proposed research work focuses on the chemical synthesis of nanostructured photocatalytic powders e.g. ZnO, TiO2, WO3, etc. (pure and doped ones), using environmental friendly approaches. The as-grown powders are incorporated into ceramic/polymeric matrices, while their structural, optical and photocatalytic properties will be studied, using X-ray diffraction, FT-IR and Raman spectrophotometry and Photoluminescence, while their mechanical properties are studied under bending and tension tests. Finally, the effect of the geometric characteristics and the porosity of the proposed samples is studied theoretically on their active surface and photocatalytic efficiency, and the theoretical results are compared with the experimental ones in order to fabricate targeted samples/devices with maximum performance.

Περίληψη

Η προτεινόμενη διδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στη σύνθεση τρισδιάστατων κεραμικών και πολυμερικών υλικών με προσμίξεις νανοϋλικών ημιαγωγών πχ ZnO, TiO2, WO3, κλπ, καθώς και αλλοτροπικών μορφών άνθρακα (graphene oxide, carbon nanotubes κλπ), με περιβαλλοντικές εφαρμογές. Τα τελευταία χρόνια έχει εκδηλωθεί ιδιαίτερα έντονο ενδιαφέρον σχετικά με την αποδόμηση μεγάλου αριθμού ενώσεων από τις κυριότερες ομάδες οργανικών ουσιών που συναντώνται στα υγρά απόβλητα, κάνοντας χρήση ημιαγώγιμων καταλυτών όπως το ZnO, TiO2, WO3, κ.α., παρουσία τεχνητού ή ηλιακού φωτισμού. Έχουν μελετηθεί εκτενώς φωτοκαταλύτες υπό μορφή κόνεων με επιτυχή αποτελέσματα ως προς την αποδόμηση των δεικτών-ρυπαντών, αλλά με μεγάλο μειονέκτημα την αδυναμία επαναχρησιμοποίησής τους. Παράλληλα, έχουν μελετηθεί σταθεροποιημένοι φωτοκαταλύτες σε σταθερά υποστρώματα, υπό μορφή λεπτών υμενίων ή νανονομών, υπερπηδώντας το μειονέκτημα των κόνεων ως προς την επαναχρησιμοποίησή τους, τόσο έναντι υγρών, όσο και αέριων ρυπαντών, με μειονέκτημα τη μικρή φυσική τους διάσταση για πρακτικές εφαρμογές. Μία διαφορετική προσέγγιση που δεν έχει μελετηθεί μέχρι στιγμής είναι η σύνθεση τρισδιάστατων φωτοκαταλυτών, σε μεγάλες διαστάσεις της τάξεως των cm, με το ενεργό υλικό να βρίσκεται είτε διασπαρμένο μέσα στον όγκο του καταλύτη, είτε προσκολλημένο στην επιφάνειά του, με τη μέγιστη επιφάνεια επαφής με τους υπό μελέτη δείκτες ρυπαντές. Με τον τρόπο αυτό μπορούν είτε να κατασκευαστούν κεραμικά φωτοκαταλυτικά νανοϋλικά με ελεγχόμενη γεωμετρία και πορώδες, είτε πολυμερικά υλικά με φωτοκαταλυτική δράση κάνοντας χρήση τρισδιάστατων εκτυπωτών (3D printers) με ακρίβεια κάποιων δεκάδων μικρο-μέτρων (50-100 μm). Η πρώτη κατηγορία φωτοκαταλυτικών δειγμάτων επιτρέπει τη χρήση τους σε υψηλές συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας, ενώ τα δεύτερα έχουν ιδιαίτερη ελαστικότητα, δίνοντάς τους τη δυνατότητα να έχουν πληθώρα εφαρμογών σε καθημερινή χρήση. Επιπλέον, με τη χρήση του 3D printer, υπάρχει η δυνατότητα να σχεδιάσουμε και να κατασκευάσουμε δείγματα σε ποικιλία γεωμετρίας και διαστάσεων, προσαρμοσμένα για εφαρμογές φίλτρων εκροής και απολύμανσης, καταλυτών, κ.α., δίνοντας μία νέα περιβαλλοντική προσέγγιση. Στα πλαίσια της προτεινόμενης διδακτορικής διατριβής κατασκευάζονται τρισδιάστατα πορώδη υλικά βασιζόμενα πχ σε γραφιτικές ή κεραμικές μήτρες και σε φωτοκαταλυτικά νανοϋλικά πχ ZnO, TiO2, WO3, κλπ. Μελετάται η επίδραση του είδος του καταλύτη και της συγκέντρωσής του, καθώς και η γεωμετρία και το πορώδες του τελικού κεραμικού. Τα δείγματα μελετώνται ως προς τη φωτοκαταλυτική αποδόμηση δεικτών-ρυπαντών παρουσία υπεριώδους και ορατής ακτινοβολίας, πχ στεαρικού οξέος που προσομοιάζει τυπικούς οργανικούς ρυπαντές που απαντώνται σε εξωτερικούς και εσωτερικούς χώρους (α), μπλε του μεθυλενίου κ.α. που έχουν χαρακτηριστικές ομάδες που βρίσκονται σε τυπικά υγρά απόβλητα μονάδων νηματοβαφείων (β), καθώς και δεικτών με δομή ανάλογη με τυπικών εντομοκτόνων και παρασιτοκτόνων που χρησιμοποιούνται στη γεωργία. Επίσης, διαμορφώνονται πολυμερικά νήματα (filaments) διαμέτρου ~1.75mm με την τεχνική της εξώθησης υπό θερμώ (thermal extrusion) προκειμένου να προωθηθούν σε τρισδιάστατο εκτυπωτή (3D printer), σχεδιάζονται και κατασκευάζονται τρισδιάστατες δομές σε κλίμακα mm και cm, με καινοτόμες περιβαλλοντικές εφαρμογές όπως την φωτοκατάλυση/αποδόμηση οργανικών ρυπαντών καθώς και στην ανίχνευση υγρών . Η ερευνητική εργασία επικεντρώνεται στη χημική σύνθεση νανοδομημένων κόνεων φωτοκαταλυτικών υλικών πχ ZnO, TiO2, WO3, κλπ (με και χωρίς προσμίξεις), με μειωμένο περιβαλλοντικό αποτύπωμα, ενσωματώνονται σε κεραμικές/πολυμερικές μήτρες, ενώ μελετώνται οι δομικές, οπτικές και φωτοκαταλυτικές τους ιδιότητες, χρησιμοποιώντας περιθλασιμετρία ακτίνων Χ, φασματοσκοπία υπερύθρου και Raman, φασματοφωτομετρία ορατού-υπεριώδους και φωτοφωταύγεια, καθώς και οι μηχανικές τους ιδιότητες χρησιμοποιώντας δοκιμές θλίψης (και εφελκισμού για τα πολυμερικά υλικά). Τέλος, μελετάται θεωρητικά η επίδραση των γεωμετρικών χαρακτηριστικών και του πορώδους των προτεινόμενων δειγμάτων στην ενεργή τους επιφάνεια και στην φωτοκαταλυτική τους δράση, και συγκρίνονται τα θεωρητικά με τα πειραματικά αποτελέσματα προκειμένου να κατασκευαστούν στοχευμένα δείγματα/διατάξεις με τη μέγιστη απόδοση.