|
Noble-metal/TiO2-based ternary photocatalysts: from optimization to environmental and energetic applications
|
Help
Print
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
|
Details of project |
|
|
Identifier |
125311 |
Type |
PD |
Principal investigator |
Kovács, Gábor |
Title in Hungarian |
Nemesfém-TiO2 alapú tercier fotokatalizátorok: finomhangolástól a környezeti és energetikai alkalmazásokig |
Title in English |
Noble-metal/TiO2-based ternary photocatalysts: from optimization to environmental and energetic applications |
Keywords in Hungarian |
félvezető oxidok, kompozitok, szennyezőanyag lebontás, hidrogén fejlesztés |
Keywords in English |
semiconductor-oxides, composites, pollutant degradation, hydrogen production |
Discipline |
Material Science and Technology (chemistry) (Council of Physical Sciences) | 67 % | Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences) | 33 % | Ortelius classification: Wastewater treatment technology |
|
Panel |
Chemistry 1 |
Department or equivalent |
Department of Applied and Environmental Chemistry (University of Szeged) |
Participants |
Hernádi, Klára
|
Starting date |
2017-12-01 |
Closing date |
2021-05-31 |
Funding (in million HUF) |
14.085 |
FTE (full time equivalent) |
2.80 |
state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A TiO2 egyre nagyobb érdeklődésre tart számot a kutatók körében, azonban, annak ellenére, hogy számos szempontból "közelít" az ideális fotokatalizátorhoz, rendelkezik gyenge pontokkal, például a láthatófény irányába mutatott alacsony érzékenységgel. Ismert tény azonban, hogy a nemesfémekkel módosított felületű fotokatalizátorok jobb hatásfokkal hasznosítják a látható/UV fényt, elősegítve a töltés-szétválasztódást és lassítva az elektron-lyuk rekombinációt. Napjainkban számos közlemény foglalkozik a különböző félvezető oxidok és nemesfém nanorészecskék által alkotott kompozitokkal, azonban nagyon kevés esetben próbálkoznak két nemesfém együttes felvételével, mely lehetőséget biztosíthat arra, hogy mindkettő előnyös tulajdonságai kiaknázgatóak legyenek egyazon anyagban (a legtöbb publikáció csak párhuzamosan összehasonlítja a két anyag-csoportot). A Pályázó legjobb tudomása szerint pedig egyetlen olyan kutatás eredményei sem kerültek közlésre, ahol két nemesfém (pl. Pt és Au) együttes hatását vizsgálva, figyelmet szentelnének a két fém közti koncentrációk/arányok jelentőségének. Ezt figyelembe véve, a kutatás fő célja, különböző TiO2/Pt-Au nanoszerkezetek előállítása (három kereskedelmi TiO2 felhasználásával, Aldrich anatáz, Aldrich rutil és P25), majd ezen kompozitok szerkezeti, morfológiai, optikai valamint fotokatalitikus tulajdonságainak vizsgálata, annak érdekében, hogy választ kapjunk a kutatás lennebb vázolt alapkérdéseire és hogy új információkat szerezzünk annak érdekében, hogy megnövelt aktivitású, alkalmazhatóság terén pedig célorientáltan "finomhangolt" felhasználással rendelkező anyagokat állíthassunk elő szerves szennyezők lebontására és H2 előállítására.
Mi a kutatás alapkérdése? Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek. Szerves szennyezőanyagok enegia- és költséghatékony eltávolítása, lehetséges "melléktermékként" hidrogént fejlesztve igazi kihívás, csábító eredményekkel egy viszonylag fiatal kutató számára. Bár számos közlemény jelenik meg ezen területeken, viszonylag csekély számú publikáció próbálja meg két vagy több nemesfém előnyös tulajdonságait egyesíteni egy, félvezetőt is tartalmazó kompozitban. Továbbá, a Pályázó legjobb tudása szerint, egyik sem vizsgálta a nemesfém nanorészecskék arányának hatását ezekre a kompozitokra, bár ezek nagyobb/optimalizált hatékonyságú szerves szennyezőanyag lebontás és hidrogén fejlesztés ígéretével kecsegtetnek. A fentieket figyelembe véve, a kucskérdések, amelyekre az előállítandó fotokatalizátoraink remélhetőleg választ adhatnak, a következők: 1) Milyen információkat lehet nyerni a szerkezeti, morfológiai és optikai módszerekkel? 2) Milyen információk nyerhetőek a fotokatalitikus hatásfokokból, annak tükrében, hogy a Pt-Au arány és a szintézis módszert is változtatjuk a kompozitok előállításakor? 3) Miként tudjuk a fotokatalitikus hatékonyságot megnövelni, ha "valódi" szennyvíz minták tisztításához használnánk fel ezeket az anyagokat? 4) Miként befolyásolható a hidrogén fejlesztési hatásfok a fent említett szintézis módszerekkel és nemesfém-arányokkal? 5) Hogyan lehet az átfogó információkat felhasználni annak érdekében, hogy a szintézis paraméterek befolyásolásával, nagyhatékonyságú és "finomhangolt" alkalmazhatósággal rendelkező kompozitokat állíthassunk elő?
Mi a kutatás jelentősége? Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának! Azáltal, hogy részletes információkat szerzünk arról, hogy a különböző Pt-Au arány miként befolyásolja a kompozitjaink tulajdonságait (pl. tiltottsáv-szélesség, kristályfázisok összetétele stb.), összekötbe a két nagy csoportba sorolható fotokatalitikus mérésekkel (a) szerves -modell és gyógyszer- szennyezők valamint "valódi" szennyvíz, b) fotokatalitikus hidrogén fejlesztés), nagy segítséget nyújtanak abban, hogy alkalmazás-orientált tercier kompozitokat tudjunk előállítani. A kapott eredmények emellett segíthetnek a "hogyan működnek?" kérdésben is, a válaszokat felhasználhatóvá téve a szennyvíztisztításban, hidrogén fejlesztésben, napelemek és a víz fotoelektrokémiai bontásában is. Fontos megemlíteni, hogy amellett, hogy viszonylag nagyszámú kutatás foglalkozik tercier, fotokatalitikusan aktív kompozitokkal, ezek nagyobb részében két félvezető és egy nemesfém szerepel, kevesebb kutatás vizsgálja a két nemesfém komponenssel rendelkező nanokompozitokat, amelyek sikeresen ötvözhetik mindkét "résztvevő" előnyös tulajdonságait. Emellett, a Pályázó legjobb tudomása szerint, egy kutatás sem "játszott" a nemesfémek arányával, rendszerezett kutatást bemutatva, ezáltal lehetőséget nyújtva a Pályázónak új információk feltárására, összekötve az anyagtudományi vizsgálatok eredményeit a fotokatalitikus vizsgálatokéval, ezáltal javítva ezen anyagok alkalmazhatósági spektrumát.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára. A fotokatalitikus tulajdonságú anyagokkal foglalkozó tudományok a legdinamikusabban fejlődő területek egyike, köszönhetően az itt vizsgált anyagok széles alkalmazhatósági spektrumának. A legfontosabb alapproblémák, melyek megoldásában segíthetnek ezek az anyagok: a tiszta ivóvíz „előállítása” s „zöld”/újrahasznosítható energiaforrások. Ezen kihívások megoldásában lehetnek segítségünkre az ú.n. félvezetők, mint például a titán-dioxid (amit a mindennapjainkban festékként, élelmiszerszínezék/adalékként ismerhetünk). Bár az alaplépések, amik szerint ezek az anyagok működnek, aránylag egyszerűek (kezdve a látható/UV fény elnyelésével), a hatásfokuk sokszor sajnos alacsony. Annak érdekében, hogy változtathassunk/javíthassunk ezen anyagok felhasználhatóságán, mint szennyvízkezelő ágens (ami a szerves szennyezőanyagokat vízzé és széndioxiddá alakítja) vagy hidrogéntermelő képesség (ami talán a „legzöldebb” energiaforrás, égése során csak tiszta vizet eredményezve), fontos hogy optimalizált előállítási paramétereket alkalmazzunk előállításaik során. A szerkezeti sajátosságokat s optimális összetételt vizsgáló módszerek megadhatják a szükséges tudást ahhoz, hogy ezen anyagoknak akár a felhasználhatósági spektrumát is növeljük. Ha a fényelnyelő tulajdonságukat s lejátszódó mechanizmusokat sikeresen feltárjuk, akkor ezen anyagok hatásfokát is könnyebben növelhetjük vagy akár hasonló hatásfokú anyagokat költséghatékonyabban állíthatunk elő. A végeredmény megnövekedett hatékonyságú és/vagy olcsóbb napelemek, öntisztító felületek, víztisztító technológiák, tüzelőanyag-cellák vagy elemek formájában is alakot ölthet.
| Summary Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. Titania has gained high interest among researchers but, even if, from some point of view is close to the ideal photocatalyst, it has his own “Achilles’ heel”, like limited photosensitivity for visible light. On the other hand, it is already known, that noble-metal modified photocatalysts can have enhanced activity under solar/UV light because where the noble metal nanoparticles can enhance the charge separation and a decrease in e-/h+ pair recombination. Even if a large number of publications are dealing with different semiconductor-noble metal based composites, really few of them are trying to combine two metals in the composite, in order to gain information about the cumulative effects of these materials, most of them are just comparing the results obtained using Au and Pt nanoparticles and, for the best knowledge of the author, none of these studies are focusing on the correlations between the modified noble metal ratios of the composites and the photocatalytic activity/H2 production results. Therefore, the main aim of the research proposal, is to obtain TiO2/Pt-Au nanocomposites with different Pt:Au ratio (using three commercial TiO2 “source”, as Aldrich anatase, Aldrich Rutile and P25), followed by detailed morpho-structural, optical and photocatalytic characterization in order to answer the questions raised as Key Questions and to obtain the necessary information about the “how-it-can-be-better” of the catalysts, and finally, to obtain highly active photocatalysts with "fine-tuned" applicability spectra regarding organic pollutant removal and H2 production.
What is the major research question? Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments. Removal of organic pollutants from water using an energy saving method with a possible “byproduct” as hydrogen is a real challenge with promising result for a relatively young researcher. Even if a large number of publications are appearing regarding these aspects, relatively small number of publications are trying to combine the “benefits” from more than one noble metal in a photocatalytically active composite. Furthermore, for the best knowledge of the applicant, none of them are taking under the loupe the variability of the concentration of the noble metal, which can lead to higher/optimized activity in degradation of organic pollutants and to enhance the photocatalytic H2 production rate of the composite. Therefore, taking into account the above described issues, the key-questions regarding the synthetized photocatalytic materials/composites can be formulated, as follows: Q1: What information can be gained from the morpho-structural and optical methods regarding these ternary composites? Q2: What information can be extracted from the photocatalytic efficiencies with different ratios of Pt-Au and different synthesis pathways (in situ and impregnation)? Q3: How can the ratio change improve the photocatalytic efficiencies when a “real” wastewater sample is “tested”? Q4: How can the H2 production rate be influenced with the above mentioned synthesis pathways and noble metal ratios? Q5: How can the synergetic information be applied in order to adjust the synthesis properties to achieve a “fine-tuned” photocatalyst with enlarged applicability spectra?
What is the significance of the research? Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field. By obtaining detailed information about the effect of the different noble-metal ratio/concentration in the photocatalytically active composites (such as band-gap energy, crystal-phase composition etc.), interconnecting with the results obtained prom the two major "class" of photocatalytic measurements ( a) organic -model, pharmaceutical- pollutants and "real" wastewater, b) photocatalytic H2 production), the nanomaterials can be “fine-tuned” during the synthesis of the optimized ternary composites. The results obtained can also answer the “how-it-works” question, the answers being applicable at wastewater treatment, H2 production, solar cells and photoelectrochamical water splitting. It has to be mentioned, that even if a relatively numerous researches are investigating the ternary, photocatalytically active composites, these are composed mostly from two semiconductor oxides and one noble metal. Relatively low number of publications are dealing with nanocomposites containing two noble metal components, giving the possibility to enhance their photoactivity, collecting all the benefic properties of both nanomaterials. Beside that, for the best knowledge of the applicant, none of the researches has "played" with different noble metal ratios, giving the possibility for the applicant, to find various new informations from the systematic "scan" of the morpho-structural and optical pecularities bridging with the results obtained from the enlarged photocatalytic test.
Summary and aims of the research for the public Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others. Researches about photocatalytic materials are one of the most dynamical subjects in material sciences, due to wide applicability area of the obtained results. The most important necessities, which can be solved by these materials, of a dignified human life are the pure water (obtained in an efficient way from polluted water) and green/recyclable energy sources. To achieve these goals, “special” materials are used, so-called semiconductor-materials, such as titanium dioxide (used as paint, food coloring agent and can be found as component in sunscreens) can be used for this purpose. Even if the main idea regarding the “how-it-works” is quite simple, starting with the absorption of visible/UV light, their efficiency sometimes is relatively low. To be able to modify/increase their applicability as wastewater treatment ability (the organic pollutants being transformed to carbon dioxide and water) or the hydrogen-production capacity (which is the “greenest” energy source, its burning resulting just clear water) of these materials, noble metal nanoparticles (e.g. platinum, gold) can be deposited on the surface of the main catalyst. These “upgraded” materials can have enlarged applicability spectra toward various organic pollutants, originated from agriculture and (pharmaceutical) industry, producing in parallel hydrogen, one of the “cleanest” energy source/carrier, from its “burn” resulting just clean water. The final result on the “market” can be available in form of solar cells, self-cleaning surfaces, water-cleaning technologies, fuel-cells or batteries with increased efficiency and/or decreased price.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
List of publications |
|
|
Tonk, Sz., Aradi, L.-E., Kovács, G., Turza, A., Rápó, E.: Effectiveness and Characterization of Novel Mineral Clay in Cd2+ Adsorption Process: Linear and Non-Linear Isotherm Regression Analysis, Water (MDPI), 2021 | Tóth, Z. R., Hernádi, K., Baia, L., Kovács, G. and Pap, Zs: Controlled formation of Ag-AgxO nanoparticles on the surface of commercial TiO2 based composites for enhanced photocatalytic degradation of oxalic acid and phenol, Catalysis Today (in press), 2020 | Rápó, E., Posta, K., Csavdári, A., Vincze, B.É., Mara, Gy., Kovács, G., Haddidi, I. and Tonk, Sz: Performance comparison of Eichornia crassipes and Salvinia natans on azodye (Eriochrome Black T) phytoremediation, https://www.mdpi.com/2073-4352/10/7/565, 2020 | Gyulavári Tamás, Kovács Kata, Kovács Zoltán, Bárdos Enikő, Kovács Gábor, Baán Kornélia, Magyari Klára, Veréb Gábor, Pap Zsolt, Hernadi Klara: Preparation and characterization of noble metal modified titanium dioxide hollow spheres – new insights concerning the light trapping efficiency, APPLIED SURFACE SCIENCE 534: 147327, 2020 | Vajda Krisztina, Hernádi Klára, Coteţ Cosmin, Kovács Gábor, Pap Zsolt: Shape-Tailored TiO 2 Photocatalysts Obtained in the Presence of Different Types of Carbon Materials, JOURNAL OF NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY 21: (4) pp. 2360-2367., 2021 | Boglárka Hampel, Gábor Kovács, Zsolt Czekes, Klára Hernádi, Virginia Danciu, Ovidiu Ersen, Maria Girleanu, Monica Focsan, Lucian Baia, Pap Zsolt: Mapping the Photocatalytic Activity and Ecotoxicology of Au, Pt/TiO2 Composite Photocatalysts, https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.8b02465, 2018 | Hampel Boglárka, Kovács Gábor, Czekes Zsolt, Hernádi Klára, Pap Zsolt: Au, Pt/TiO2 alapú kompozitok fotokatalitikus aktivitásának és ökotoxikológiai hatásának vizsgálata, https://emt.ro/sites/default/files/archivum/program/Program%202018.pdf, 2018 | Boglárka Hampel, Gábor Kovács, Zsolt Czekes, Klára Hernádi, Lucian Baia, Ovidiu Ersen, Zsolt Pap: Correlation between photocatalytic activity and ecotoxicology of noble metal/TiO2 nanomomposites, http://eaaop6.ki.si/programme/, 2019 | Hampel Boglárka, Kovács Gábor, Czekes Zsolt, Hernádi Klára, Pap Zsolt: Nemesfém/TiO2 alapú kompozitok fotokatalitikus aktivitásának és ökotoxikológiai hatásának vizsgálata, https://emt.ro/sites/default/files/archivum/program/Esem%C3%A9ny%20arch%C3%ADvum%20bek%C3%BCld%C3%A9se/Vegyesz%20A5%20programfuzet%202019%20%40.pdf, 2019 | Boglárka Hampel, Enikő Eszter Almási, Klára Hernádi, Zsolt Pap, Zsolt Czekes, Gábor Kovács: INVESTIGATIONS OF PHOTOCATALYTIC ACTIVITY AND ECOTOXICOLOGY OF Au, Pt/TiO2 COMPOSITE CATALYSTS, http://publicatio.bibl.u-szeged.hu/15435/, 2019 | Gábor Veréb, Áron Ágoston, Laura Feketea, Erika Nascimben Santos, Ákos Fazekas, Zoltán Jákói, Szabolcs Kertész, Sándor Beszédes, Cecilia Hodúr, Zsuzsanna László, Gangasalam Arthanareeswaran, Tamás Gyulavári, Gábor Kovács, Zsolt Pap, Klára Hernádi: Utilization of Photocatalytic Nanomaterials for the Development of Advanced Membrane Surfaces Used for the Purification of Oil Emulsions, In: Hussain, Al-Ekabi; Tünde, Alapi (szerk.) The Proceedings of The 5th International Conference on New Photocatalytic Materials for Environment, Energy and Sustainability (NPM-5) & The 6th International Conference on Photocatalytic and Advanced Oxidation Technologies for the Treatment of Water, Air, Soil and Surfaces (PAOT-6), University of Szeged (2021) p. 77., 2021 | Vajda Krisztina, Hernádi Klára, Coteţ Cosmin, Kovács Gábor, Pap Zsolt: Shape-Tailored TiO 2 Photocatalysts Obtained in the Presence of Different Types of Carbon Materials, JOURNAL OF NANOSCIENCE AND NANOTECHNOLOGY 21: (4) pp. 2360-2367., 2021 | Gyulavári Tamás, Kovács Kata, Kovács Zoltán, Bárdos Enikő, Kovács Gábor, Baán Kornélia, Magyari Klára, Veréb Gábor, Pap Zsolt, Hernadi Klara: Preparation and characterization of noble metal modified titanium dioxide hollow spheres – new insights concerning the light trapping efficiency, APPLIED SURFACE SCIENCE 534: 147327, 2020 | B. Hampel, G. Kovács, Zs. Czekes, K. Hernádi, L. Baia, O. Ersen, Zs. Pap: Correlation between photocatalytic activity and ecotoxicology of noble metal/TiO2 nanocomposites, In: Albin, Pintar; Petar, Djinović; Janvit, Teržan; Gregor, Žerjav; Nataša, Novak Tušar (szerk.) Book of Abstracts 6th European Conference on Environmetal Applications of Advanced Oxidation Processes, (2019) p. 336., 2019 | Boglárka Hampel, Enikő-Eszter Almási, Klára Hernádi, Zsolt Pap, Zsolt Czekes, Gábor Kovács: INVESTIGATIONS OF PHOTOCATALYTIC ACTIVITY AND ECOTOXICOLOGY OF Au, Pt/TiO2 COMPOSITE CATALYSTS, In: Gábor, Rákhely; Cecilia, Hodúr (szerk.) II. Sustainable Raw Materials Conference Book - International Project Week and Scientific Conference, University of Szeged (2019) pp. 33-36., 2019 | Zsejke-Réka Tóth, János Kiss, Klára Hernádi, Lucian Baia, Gábor Kovács, Enikő-Eszter Almási, Zsolt Pap: STABILITY INVESTIGATIONS OF AgBr PHOTOACTIVE MATERIALS, In: Gábor, Rákhely; Cecilia, Hodúr (szerk.) II. Sustainable Raw Materials Conference Book - International Project Week and Scientific Conference, University of Szeged (2019) pp. 146-148., 2019 | Zsejke-Réka Tóth, Gábor Kovács, Lucian Baia, Zsolt Pap, Klára Hernádi: Synthesis, characterization and photocatalytic activity of spherical gold nanocages/TiO2 and silver nanospheres/TiO2 composites, In: Carlos, Lodeiro; José, Luis Capelo (szerk.) III. International Symposium on Nanoparticles/Nanomaterials and Applications, Associacao Cientifica Proteomass (2018) pp. 265-266., 2018 | Tóth Zsejke-Réka, Debreczeni Diána, Kiss János, Pap Zsolt, Hernádi Klára: Synthesis, characterization and applicability of Ag-based photoactive materials, XXVI. International Conference on Chemistry, 2020 |
|
|
|
|
|
|
Back »
|
|
|