Untersuchungen zur Synthese und Charakterisierung von heterogenen Photokatalysatoren

Abstract

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Synthese und die Charakterisierung von Photokatalysatoren. In dieser Arbeit wird die Synthese und Charakterisierung der Reihen von Photokatalysatoren In1-xNixTaO4-x/2 (x = 0 — 0.2) und MII 10-xMIx(VO4)6Cl2-x (MI = Na, Ag; MII= Ca, Sr, Ba und x = 0 — 0.5) beschrieben. InTaO4 wird über zwei Methoden hergestellt. Die erste Methode ist eine Festkörperreaktion. Als zweiter Syntheseweg wird erstmals eine Sol-Gel-Reaktion zur Herstellung von nanokristallinem InTaO4 verwendet. Die Produkte beider Synthesemethoden werden röntgenografisch bezüglich Phasenreinheit, Realbau und Kristallstruktur charakterisiert. Die Untersuchungen der Kristallstruktur der Apatit-Verbindungen zeigen für Ca10(VO4)6Cl2 eine diffuse Verteilung des Cl entlang der c-Achse, für Sr10(VO4)6Cl2 und Ba10(VO4)6Cl2 dagegen eine hohe Lokalisierung des Cl. Die beiden Reihen von Photokatalysatoren entwickeln Sauerstoff und Wasserstoff unter UVLicht-Bestrahlung. Die katalytische Aktivität von In1-xNixTaO4-x/2 nimmt sowohl mit der Dotierung mit Nickeloxyd als auch mit der Oberflächenbelegung mit Ni- oder Ag-Oxid als Co-Katalysator ab. Auch die Apatit-Verbindungen MII10-xMIx(VO4)6Cl2-x zeigen eine hohe photokatalytische Aktivität unter UV-Licht-Bestrahlung. Eine Modifizierung von Ca10(VO4)6Cl2 durch Dotierung auf den Ca-Positionen erhöht die photokatalytische Aktivität, die aber nicht an die H2- und O2-Entwicklungsraten von InTaO4 heranreicht. Ein Vergleich der photokatalytischen Aktivitäten aller untersuchter Proben mit deren Realbaueigenschaften legt nahe, dass Teilchengröße (Kristallitgröße) bei diesen nur relativ wenig zur Steigerung der Aktivität beitragen, innere Spannungen (Mikroverzerrungen) diese aber deutlich absenken.

The subject of this work is the synthesis and the characterisation of photocatalysts. The synthesis and characterisation of the series of water splitting solid photocatalysts In1-xNixTaO4-x/2 (x = 0-0.2) and MII 10-xMIx(VO4)6Cl2-x (MI= Na, Ag; MII= Ca, Sr, Ba and x =0-0.5) is described. InTaO4 is synthesized by two methods. The first method is a solid state reaction, the second method is a new synthesis route by a sol-gel process enabling production of InTaO4 at the nanoscale. This is the first sol-gel process, which is hitherto known to yield InTaO4. The products of both routes are characterized by XRD to determine purity, microstructure and crystallographic structure. The investigations of the crystal structure of the apatite compounds show a diffuse distribution of the Cl along the c-axis for Ca10(VO4)6Cl2, a high localization of the Cl for Sr10(VO4)6Cl2 and Ba10(VO4)6Cl2. The two series of photocatalysts develop oxygen and hydrogen under UV light irradiation. The photocatalytic activity of In1-xNixTaO4-x/2 decreases after doping by nickel oxide and after surface modification by Ni-oxide or Ag-oxide as co-catalyst. Also the apatite compounds MII10-xMIx(VO4)6Cl2-x show a high photocatalytic activity under UV-light irradiation. Doping of Ca10(VO4)6Cl2 at the Ca-positions increases the photocatalytic activity. Nevertheless the rates of formation of H2 and O2 are lower than in the case of InTaO4. Comparing the photocatalytic activity and the microstructure of the materials used for this work a slight increase of activity for smaller particles (crystallites) may be assumed. Internal stress (microstrain), however, causes a significant decrease of activity.