Tailoring Cu-based nanostructures for sunlight-assisted photocatalysis applications
Laen...
Kuupäev
2025
Kättesaadav alates
Ajakirja pealkiri
Ajakirja ISSN
Köite pealkiri
Kirjastaja
Estonian University of Life Sciences
Abstrakt
ABSTRACT. The development of efficient visible-light photocatalysts is crucial for advancing sustainable wastewater treatment and environmental remediation. This study explores multiphase copper nanoparticles to determine the influence of phase composition on photocatalytic performance. Nanoparticles composed of Cu₂O, Cu₃N, and metallic Cu were synthesized via a non-aqueous sol-gel route, with oleylamine controlling crystallinity, particle size, and surface chemistry. Phase composition was tuned by varying stirring time and synthesis time in the oven. Extended stirring stabilized Cu₂O through improved precursor dispersion, while longer synthesis promoted Cu₃N formation and, eventually, metallic Cu. The resulting nanoparticles were tested as free-standing powders and spin-coated films, revealing trade-offs between surface exposure, mechanical stability, and reusability. Photocatalytic tests demonstrated that Cu₃N-rich nanoparticles achieved 96% degradation of methylene blue under visible light, due to favorable crystalline size. In contrast, Cu₂O-rich samples, particularly Cu2–0.75h, exhibited optimal performance for neutral red and malachite green, reaching 82% and 94% degradation, respectively, as a result of their optical properties. Mechanistic studies confirmed that degradation occurs via reactive oxygen species, with neutral red additionally undergoing deprotonation. The novelty of this work lies in the systematic synthesis optimization, the evaluation of nanoparticles under both real sunlight and controlled solar-simulator conditions, and the demonstration of practical film deposition for reusable photocatalytic systems. This study establishes clear connections between synthesis parameters, structural properties, and catalytic performance, providing a versatile platform for sunlight-driven environmental remediation and advanced materials design.
LÜHIKOKKUVÕTE. Tõhusate nähtava valguse fotokatalüsaatorite arendamine on ülioluline säästva reoveepuhastuse ja keskkonna remediatsiooni edendamiseks. Käesolev doktoritöö uurib mitmefaasilisi vasknanopartikleid, et määrata faasikoostise mõju fotokatalüütilisele aktiivsusele. Nanopartiklid, mis koosnesid Cu₂O-st, Cu₃N-st ja metallilisest Cu-st, sünteesiti veevaba sol–geeli meetodiga, kus oleüülamiin kontrollis kristallilisust, osakeste suurust ja pinnakeemiat. Faasikoostist reguleeriti ahjus segamis- ja sünteesiaega muutes. Pikem segamine stabiliseeris Cu₂O parema eelühendi hajutamise kaudu, samas kui pikem süntees soodustas Cu₃N moodustumist ja lõpuks metallilise Cu teket. Saadud nanoosakesi testiti nii pulbri kui ka õhukeste kilede kujul. Katsetulemused näitasid tasakaalu pinna kättesaadavuse, mehaanilise stabiilsuse ja taaskasutatavuse vahel. Fotokatalüütilised katsed näitasid, et Cu₃N-rikkad nanopartiklid saavutasid nähtava valguse all metüleensinise 96% lagunemise, mis tulenes nende soodsast kristallilisest suurusest. Seevastu Cu₂O-rikkad proovid, eriti Cu2–0.75h, näitasid optimaalset aktiivsust neutraalse punase ja malakiitsinise lagundamisel, saavutades vastavalt 82% ja 94% lagunemise tänu oma optilistele omadustele. Mehhanistlikud uuringud kinnitasid, et lagunemine toimub reaktiivsete hapniku liikide kaudu, kusjuures neutraalne punane läbib täiendavalt deprotonatsiooni. Käesoleva töö uudne väärtus seisneb sünteesi süsteemses optimeerimises, nanopartiklite hindamises nii tegeliku päikesevalguse kui ka kontrollitud päikesesimulaatori tingimustes ning praktilise filmikatte demonstreerimises taaskasutatavate fotokatalüütiliste süsteemide jaoks. Doktoritöö loob selged seosed sünteesi parameetrite, struktuuriomaduste ja katalüütilise aktiivsuse vahel, pakkudes mitmekülgset platvormi päikesevalguse juhitud keskkonna remediatsiooniks ja arenenud materjalide disainiks.
LÜHIKOKKUVÕTE. Tõhusate nähtava valguse fotokatalüsaatorite arendamine on ülioluline säästva reoveepuhastuse ja keskkonna remediatsiooni edendamiseks. Käesolev doktoritöö uurib mitmefaasilisi vasknanopartikleid, et määrata faasikoostise mõju fotokatalüütilisele aktiivsusele. Nanopartiklid, mis koosnesid Cu₂O-st, Cu₃N-st ja metallilisest Cu-st, sünteesiti veevaba sol–geeli meetodiga, kus oleüülamiin kontrollis kristallilisust, osakeste suurust ja pinnakeemiat. Faasikoostist reguleeriti ahjus segamis- ja sünteesiaega muutes. Pikem segamine stabiliseeris Cu₂O parema eelühendi hajutamise kaudu, samas kui pikem süntees soodustas Cu₃N moodustumist ja lõpuks metallilise Cu teket. Saadud nanoosakesi testiti nii pulbri kui ka õhukeste kilede kujul. Katsetulemused näitasid tasakaalu pinna kättesaadavuse, mehaanilise stabiilsuse ja taaskasutatavuse vahel. Fotokatalüütilised katsed näitasid, et Cu₃N-rikkad nanopartiklid saavutasid nähtava valguse all metüleensinise 96% lagunemise, mis tulenes nende soodsast kristallilisest suurusest. Seevastu Cu₂O-rikkad proovid, eriti Cu2–0.75h, näitasid optimaalset aktiivsust neutraalse punase ja malakiitsinise lagundamisel, saavutades vastavalt 82% ja 94% lagunemise tänu oma optilistele omadustele. Mehhanistlikud uuringud kinnitasid, et lagunemine toimub reaktiivsete hapniku liikide kaudu, kusjuures neutraalne punane läbib täiendavalt deprotonatsiooni. Käesoleva töö uudne väärtus seisneb sünteesi süsteemses optimeerimises, nanopartiklite hindamises nii tegeliku päikesevalguse kui ka kontrollitud päikesesimulaatori tingimustes ning praktilise filmikatte demonstreerimises taaskasutatavate fotokatalüütiliste süsteemide jaoks. Doktoritöö loob selged seosed sünteesi parameetrite, struktuuriomaduste ja katalüütilise aktiivsuse vahel, pakkudes mitmekülgset platvormi päikesevalguse juhitud keskkonna remediatsiooniks ja arenenud materjalide disainiks.
Kirjeldus
Doctoral Thesis in Engineering Sciences.
Doktoritöö tehnikateaduse erialal.
Doktoritöö tehnikateaduse erialal.
Märksõnad
dye degradation, azo-dyes, photocatalysis, nanoparticles, spin-coating, dissertations
Viide
Paredes Carranza, E. P. (2025). Tailoring Cu-based nanostructures for sunlight-assisted photocatalysis applications [Estonian University of Life Sciences]. https://doi.org/10.15159/EMU.164