Characterization and activity of surface plasmon resonance materials

Abstract

The goal of this study was to obtain new information about possibilities to utilize carbon dioxide (CO₂) with photocatalytic activation and reduction by using surface plasmon resonance titanium dioxide based materials decorated with platinum group metals. Carbon dioxide is known to be one of the most common greenhouse gases (GHG) and having a major impact on ongoing global warming. By utilizing CO₂ it is possible to mitigate CO₂ emissions and produce new sustainable fuels.

This study included characterization of the prepared palladium (Pd) and platinum (Pt) decorated catalysts and testing their photocatalytic properties in carbon monoxide (CO) oxidation and CO₂ activation reactions under visible light and under irradiation of specific wavelength. In addition to different irradiation also different feed gas combinations were tested in both reactions.

Characterization of prepared materials was done with XRD to study the crystalline structure and composition, BET-BJH to get information about the surface area and pore sizes, and TEM for surface structure analyses and distribution of metal decoration.

Photocatalytic activity was studied with FT-IR DRIFT analyses with external solar light source and equipped with filters to control the wavelength of irradiation.

The results of the characterization showed that preparation of the catalysts was successful. Photocatalytic activity results showed that some of the tested materials are able to oxidise CO and activate CO₂ in the presence of irradiation. Obtained results show that palladium and platinum decorated TiO₂ based materials could possibly be used in surface plasmon enhanced photocatalytic CO₂ reduction successfully.

Työn tarkoituksena on selvittää hiilidioksidin (CO₂) hyödyntämisen mahdollisuutta valokatalyyttisellä aktivoinnilla ja pelkistämisellä käyttäen pintaplasmonisesti resonoivia jalometalleja sisältäviä titaanidioksidimateriaaleja. Hiilidioksidin tiedetään olevan yksi yleisimmistä kasvihuonekaasuista ja näin ollen sillä on suuri vaikutus meneillään olevaan ilmaston lämpenemiseen. Hyödyntämällä hiilidioksidia on mahdollista vähentää hiilidioksidipäästöjä ja kehittää uusia kestäviä polttoaineita.

Tämä tutkimus sisältää valmistettujen platina- ja palladium-titaanidioksidi-katalyyttien karakterisointia ja niiden valokatalyyttisten ominaisuuksien tutkimista hiilimonoksidin (CO) hapettamisessa ja hiilidioksidin (CO₂) aktivoinnissa näkyvällä valolla ja valituilla valon aallonpituuksilla. Käytettyjen säteilyalueiden lisäksi myös erilaisia syöttökaasun yhdistelmiä tutkittiin molemmissa reaktioissa.

Valmistettujen katalyyttien karakterisoinnit tehtiin XRD:llä, jolla saatiin tietoa materiaalien kiderakenteesta ja koostumuksesta, BET/BJH-menetelmällä jolla määritettiin pinta-alat ja huokostilavuudet sekä TEM mikroskopialla, jolla tarkasteltiin pinnan rakenteita ja metallin jakautumista katalyytin pintaan.

Valokatalyyttistä aktiivisuutta tutkittiin DRIFT-mittauksin, joissa käytettiin ulkoista valonlähdettä ja erillisiä valosuodattimia, jotta eri aallonpituuksien vaikutusta reaktioon voitiin tutkia tarkemmin.

Karakterisointien tulokset osoittivat materiaalien valmistuksen olleen onnistunut. Valokatalyyttisten aktiivisuuskokeiden tutkimustuloksista saatiin selville, että osa palladiumia tai platinaa sisältävistä titaanidioksidimateriaaleista kykeni hapettamaan hiilimonoksidia sekä aktivoimaan hiilidioksidia valosäteilyn avulla. Saadut tutkimustulokset osoittavat, että TiO₂ pohjaisia katalyyttejä platina- ja palladiumlisäyksillä voidaan mahdollisesti käyttää pintaplasmonisella värähtelyllä tehostetussa valokatalyysissä hiilidioksidin pelkistämiseksi.