A comparative study over differently produced titanium dioxide photocatalyst

One of the challenges of this modern industrialized society is to identify solutions to the problem of environmental pollution, where the effects grow at a worrying speed. In particular, the release of various pollutants into the aqueous environment and into the atmosphere is one of the major problems that humanity must solve. The deleterious effects of these practices have repercussions on the entire ecosystem and on human health. Of particular interest are the advanced oxidation processes (AOPs) which allow a decomposition of the pollutant thanks to the formation of strongly oxidizing radicals. Among these, the photocalysis process is one of the most encouraging technologies for the abatement of pollutants of various kinds. For this case, the degradation is obtained following the activation of a suitable photocatalytic material. Of all the photocatalytic materials, titanium dioxide, TiO2, is one of the most studied materials in research for its photocatalytic properties, and is one of the most used, thanks to its stability and versatility. In particular, its nanotubular morphology allows optimization of the photocatalytic process thanks to the perfect compromise between the surface-volume ratio, the sensitivity to radiation and the mobility of the charges. In particular, the photocatalytic degradation process was tested on a solution of rhodamine B. The aging of the solutions and the concentration of the pollutant were the main factors analyzed in order to evaluate the effect on the kinetics and the percentage of photodegradation of the process. The purpose of this thesis is to prepare different titration dioxide-based photocatalysts and compare their performance. Moreover, the correlation between the photocatalytic activity of titanium dioxide and some preparation conditions is studied, in order to find a possible industrial application for the abatement of organic pollutants in the liquid phase. This thesis is divided into four main chapters. Chapter 1 presents a general preamble to the problem previously described and subsequently analyses the photocatalysis process. Subsequently, the nanostructural modification properties of titanium dioxide are observed in particular, such as the production in a sol-gel and the development of the electrochemical anodization technique that allows to obtain the desired nanotubular shape and various other methods to take advantage of the material for photocatalytic applications. Chapter 2 will focus on experimental procedures for titanium dioxide production and deposition techniques. At this point some photocatalytic degradation experiments in liquid phase will be introduced on the rhodamine B solution. Chapter 3 will discuss the degradation results of the tests performed in liquid phase solution and the final comparison on all the categories of photocatalysts studied. Finally, chapter 4 focuses on the conclusions of this work.

Una delle sfide di questa società moderna industrializzata è quella di individuare soluzioni al problema dell’inquinamento ambientale, dove gli effetti crescono ad una velocità preoccupante. In particolare, il rilascio di diverse sostanze inquinanti in ambiente acquoso e nell’atmosfera rappresenta uno dei maggiori problemi che l’umanità deve risolvere. Gli effetti deleteri di tali pratiche hanno ricadute sull’intero ecosistema e sulla salute dell’uomo. Di particolare interesse sono i processi di ossidazione avanzata (AOPs) che permettono una decomposizione dell’inquinante grazie alla formazione di radicali fortemente ossidanti. Tra questi il processo di fotocalisi è una delle tecnologie più incoraggianti per l’abbattimento di inquinanti di varia natura. Per questo caso, la degradazione è ottenuta a seguito dell’attivazione di un opportuno materiale fotocatalitico. Tra tutti i materiali fotocatalitici il biossido di titanio, TiO2, è uno dei materiali più studiati nell’ambito della ricerca per le sue proprietà fotocatalitiche, ed è uno dei più usati, grazie alla sua stabilità e versatilità. In particolare la sua morfologia nanotubolare permette un’ottimizzazione del processo fotocatalitico grazie al perfetto compromesso tra il rapporto superficie-volume, la sensibilità alla radiazione e la mobilità delle cariche. In particolare è stato testato il processo di degradazione fotocatalitica su una soluzione di rodamina B. L’invecchiamento delle soluzioni e la concentrazione dell’inquinante sono stati i principali fattori analizzati allo scopo di valutarne l’effetto sulla cinetica e sulla percentuale di fotodegradazione del processo. Lo scopo di questa tesi consiste nel preparare diversi fotocatalizzatori a base di biossido di titolazione e confrontare le loro prestazioni. Viene inoltre studiata la correlazione tra l'attività fotocatalitica del biossido di titanio ed alcune condizioni di preparazione, al fine di trovare una possibile applicazione industriale per l'abbattimento di inquinanti organici in fase liquida. Questa tesi è divisa in quattro capitoli principali. Il capitolo 1 presenta un preambolo generale al problema precedentemente descritto e successivamente analizza il processo di fotocatalisi. In seguito, sono osservate in particolare le proprietà di modifica nanostrutturale del biossido di titanio, come la produzione in un sol-gel e lo sviluppo della tecnica di anodizzazione elettrochimica che permette di ottenere la forma nanotubolare desiderata e vari altri metodi per usufruire del materiale per applicazioni fotocatalitiche. Il capitolo 2 si concentrerà sulle procedure sperimentali per la produzione di biossido di titanio e sulle tecniche di deposizioni. A questo punto verranno introdotti alcuni esperimenti di degradazione fotocatalitica in fase liquida sulla soluzione di rodamina B. Il capitolo 3 discuterà i risultati di degradazione delle prove eseguite in soluzione in fase liquida e il confronto finale su tutte le categorie di fotocatalizzatori studiati. Infine, il capitolo 4 si concentra sulle conclusioni di questo lavoro.