Investigation of photocatalytic and electrochemical activity of composite coatings TiO2-Bi2WO6 produced by plasma electrolytic oxidation on commercial pure titanium

نوع: Type: thesis

مقطع: Segment: PHD

عنوان: Title: Investigation of photocatalytic and electrochemical activity of composite coatings TiO2-Bi2WO6 produced by plasma electrolytic oxidation on commercial pure titanium

ارائه دهنده: Provider: Razieh Charmahali

اساتید راهنما: Supervisors: Dr. Arash Fatah Alhosseini

اساتید مشاور: Advisory Professors: خانم دکتر مینو کرباسی و آقای دکتر دارا دستان

اساتید ممتحن یا داور: Examining professors or referees: Dr jale, De kaleji, Dr movahadi

زمان و تاریخ ارائه: Time and date of presentation: 2024

مکان ارائه: Place of presentation: Faculty of Engineering

چکیده: Abstract: با توجه به مشکلاتشDue to environmental concerns, the photocatalytic process has been utilized as an effective solution for eliminating pollutants. Photocatalysts, which are in powder form, encounter challenges such as recovery, reuse, and agglomeration. To tackle these issues, photocatalytic coatings are deemed suitable solutions. The objective of this research is to assess the effectiveness of photocatalytic coatings made of titanium dioxide (TiO2) and a composite of TiO2 and bismuth tungstate (Bi2WO6). Initially, TiO2 coatings were fabricated via plasma electrolytic oxidation (PEO) to serve as a porous photocatalytic surface for degrading methylene blue. A fractional factorial design (FFD) was employed to optimize different coating parameters, including electrolyte composition, electrical parameters, and process time, with the methylene blue degradation rate as the basis, and the optimal sample was chosen. The impact of PEO parameters on wettability, crystalline phase, and surface microstructure of the coatings was also examined. The findings indicated that the optimal sample displayed the highest surface porosity and anatase content, showcasing superior photocatalytic activity, resulting in the degradation of 47% of MB under visible light. The photocatalytic performance of the optimal coating was assessed under various conditions, including the presence of peroxymonosulfate (PMS), pollutant concentration, light intensity, and pH. Considering the calculated band gap of the optimal sample (3.01 eV), the CB and VB position were established as -0.43 and +2.58 eV, respectively. This confirms the existence of active oxygen species in the process of degrading methylene blue. In the second phase, a composite TiO2-Bi2WO6 coating was prepared using a hydrothermal process. The effects of various hydrothermal process parameters, such as different concentrations of sodium tungstate and bismuth nitrate precursors, as well as different process times, on the photocatalytic behavior of the coatings in metformin degradation were investigated. The microstructural analysis results revealed that altering the concentration of Bi2WO6 precursors while maintaining the porous structure of the PEO coating resulted in a sheet-like microstructure. The formation mechanism on the TiO2 coating was investigated by observing the effect of time, leading to a transformation of the surface microstructure from spherical to needle-like with increased time. The degradation efficiency of metformin showcased a notable improvement in the photocatalytic performance of the composite coatings compared to TiO2 coatings. Specifically, the composite coating produced at a low concentration and extended duration exhibited 90% degradation within 180 min under visible light, with a degradation rate constant 12.3% higher than that of TiO2. This enhancement can be attributed to its reduced energy gap (2.73 eV) in contrast to TiO2 (3.01 eV). By utilizing the aligned VB and CB characteristics of the composite coating, a Type II photocatalytic activity mechanism was proposed, facilitating broad visible light absorption and improved charge carrier separation. Moreover, active oxygen species were identified during the degradation process with suitable oxidant traps, suggesting this mechanism for metformin degradation محیطزیستی، فرایند فتوکاتالیستی بهعنوان یک راهحل مناسب برای حذف آلایندهها بکار گرفته شده است. فتوکاتالیستها پودری مشکلاتی از قبیل بازیابی، استفاده مجدد و آگلومره شدن را دارند که برای برطرف کردن این مشکلات، پوششهای فتوکاتالیستی راهحل مناسبی هستند. هدف از این پژوهش ارزیابی فعالیت فتوکاتالیستی پوششهای دی- اکسید تیتانیم ( )TiO2و کامپوزیتی TiO2و بیسموت تنگستات ) (Bi2WO6است. در همین راستا، ابتدا پوششهای TiO2از طریق اکسیداسیون الکترولیتی پلاسمایی ( )PEOبرای استفاده از آن بهعنوان یک سطح فتوکاتالیست متخلخل در تخریب متیلن آبی استفاده شده است. طرح فاکتوریل کسری ( )FFDبرای بهینهسازی پارامترهای مختلف پوششدهی مانند ترکیب الکترولیت، پارامترهای الکتریکی و زمان فرایند بر اساس نرخ تخریب متیلن آبی انجام شد و نمونه بهینه انتخاب شد. تأثیر پارامترهای PEO بر ترشوندگی، فاز کریستالی و ریزساختار سطح پوششها نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که نمونه بهینه با بیشترین میزان تخلخل روی سطح و بالاترین میزان آناتاز، بیشترین فعالیت فتوکاتالیستی را نشان داد که منجر به تخریب 47درصد متیلن آبی تحت نور مرئی شد. رفتار فتوکاتالیستی پوشش بهینه تحت شرایط مختلف مانند حضور اکسنده پتاسیم پراکسیمونو سولفات ( ،)PMSغلظت آلاینده، شدت نور و pHارزیابی شد. با توجه به شکاف انرژی محاسبه شده ( 3/01الکترونولت) مربوط به نمونه بهینه، موقعیت نوار رسانش و ظرفیت آن به ترتیب -0/43و +2/58الکترونولت حاصل شد که در حضور بهداماندازهای مناسب، گونههای فعال اکسیژنی در فرایند تخریب متیلن آبی تأیید شد. در فاز دوم، بهمنظور ایجاد پوشش کامپوزیتی TiO2-Bi2WO6از فرایند هیدروترمال استفاده شد، در این راستا پارامترهای فرایند هیدروترمال مانند غلظتهای مختلف پیش مادههای سدیم تنگستات و نیترات بیسموت و همچنین زمانهای مختلف فرایند بر رفتار فتوکاتالیستی پوششها در تخریب متفورین بررسی شد. نتایج حاصل از تجزیه و تحلیلهای ریزساختاری نشان داد که تغییر غلظت پیش مادههای Bi2WO6با حفظ کردن ساختار متخلخل پوشش ،PEOریزساختار ورقهای شکل از خود نشان دادند. سازوکار تشکیل آن بر روی پوشش TiO2با بررسی اثر زمان مورد بررسی قرار گرفت، بهطوریکه، با افزایش زمان ریزساختار سطح پوشش از ساختار کروی به سوزنی شکل تغییر یافت. راندمان تخریب متفورمین نشان داد که رفتار فتوکاتالیستی پوششهای کامپوزیتی بهطور چشمگیری نسبت به پوشش TiO2افزایش یافت. بهطوریکه پوشش کامپوزیتی آماده شده در غلظت کم و در مدت زمان بالا میزان 90درصد تخریب را در 180دقیقه تحت نور مرئی نشان داد که ثابت نرخ تخریب آن 12/3درصد بیشتر از TiO2بود که میتوان به کاهش شکاف انرژی ( 2/73الکترونولت) آن در مقایسه با پوشش 3/01( TiO2الکترونولت) نسبت داد. با بهرهبرداری از ویژگیهای همترازی نوارهای ظرفیت و رسانش پوشش کامپوزیتی، سازوکار فعالیت فتوکاتالیستی نوع IIپیشنهاد شد که منجر به طیف گستردهای از جذب نور مرئی و افزایش جداسازی حاملهای بار شد. علاوهبر این، گونههای فعال اکسیژنی در طی فرایند تخریب با بهداماندازهای مناسب شناسایی شد و این سازوکار تخریب متفورین پیشنهاد شد

فایل: ّFile: Download فایل