Preparation and characterization of titania based powders and suspensions for photocatalytic applications

Abstract

Growing environmental concerns related to the extensive use of nonsustainable fossil fuels and increasing energy demand will force mankind, sooner or later, to tap into clean and sustainable sources of energy and artificial photosynthesis is being considered as a promising prospect for this concern. Photocatalysis is expected to make a great contribution to solutions for environmental problems and renewable energy generation. Titania based photocatalytic materials are one of the widely used materials in artificial photosynthesis research due to their unique chemical and optical properties. Recent research have shown that rare earth element (REE) doping improves the photocatalytic activity of TiO2 phases in the visible region. The effects of REE doping level and heat treatment temperature on the microstructure evolution, optical properties and the photocatalytic water splitting/CO2 photoreduction activities of mostly sol-gel derived titania powders were investigated in this thesis. The results of this thesis indicated that REE ions may enter the interstitial voids of TiO2 lattice or segregate on the grain boundaries of TiO2 as a separate phase and RE2Ti2O7 phases were formed for the REEs with relatively smaller ionic sizes. The experimental work conducted revealed the importance of surface area, crystallinity, light absorption, the presence of oxygen vacancies and structural defects in the efficiency of photocatalytic processes. Results have shown that REE doping improves the artificial photosynthesis activity of TiO2 at relatively low doping levels and 700oC heat treatment temperature as the production rate of H2 and CO/CH4 were significantly higher with REE doped TiO2 compared to pure TiO2.

Günümüzde ağırlıklı olarak sürdürülebilir olmayan fosil yakıtlara dayanan ve artan enerji ihtiyacının neden olduğu olumsuz etkiler ve bunların yarattığı kaygılar insanlığı er ya da geç sürdürülebilir temiz enerji kaynaklarına yöneltecektir. Hem küresel CO2 miktarını azaltan ve hem de yenilenebilir yakıt üretimini sağlayan yapay fotosentez önemli bir seçenek oluşturmaktadır. Fotokatalitik süreçler çevresel sorunların çözümüne ve yenilenebilir enerji üretimine önemli katkılar yapacaktır. Titanya bazlı fotokatalitik malzemeler kimyasal ve optik özelliklerinden ötürü yapay fotosentez uygulamalarında en yaygın kullanılan malzemelerdendir. Son yıllardaki araştırmalar nadir toprak elementi (NTE) katkılarının titanya fazlarını günes ışınlarını görünür bölgede daha verimli kullanır hale getirebileceği yönünde önemli bulgular içermektedir. Bu tezde ağırlıklı olarak sol-jel temelli teknikler kullanılarak nadir toprak elementlerinin katkı düzeyleri ve ısıl işlem sıcaklığının titanya tozlarının mikroyapısal evrimine, optik özelliklerine ve fotokatalitik su parçalama/CO2 indirgeme aktivitelerine etkisi araştırılmıştır. Bu tezin sonuçları NTE iyonlarının ayrı bir oksit fazı olarak yapıda yer aldığını veya TiO2 kafes boşluklarına yerleştiğine ve düşük iyonik çaplı NTE iyonlarının NTE2Ti2O7 fazlarını oluşturabildiğine işaret etmektedir. Fotokatalitik süreçlerde yüzey alanı, kristalinite, ışık soğurma, oksijen boşlukları ve yapısal hataların aktivitede önemli rol oynadığı bu proje kapsamında yapılan deneylerle ortaya çıkmıştır. NTE katkısının TiO2’in yapay fotosentez aktivitesini olumlu yönde etkilediği saptanmıştır. Bu tez çalışmasının sonuçları düşük katkı düzeyleri ve 700 oC dolayında ışıl işleme tabi tutulan tozların H2 üretimini ve CO/CH4 üretimini önemli ölçüde artırdığını göstermektedir.