Titanya‐metal oksit fiziksel karışımlarının uv ve görünür ışık altında geliştirilmiş fotokatalitik nox yükseltgeme‐depolama performansları

Abstract

Önümüzdeki onlarca yıl boyunca fosil yakıtların (başta kömür ve doğal gaz olmak üzere)ana enerji kaynakları olarak kullanılacağı göz önüne alındığında, gaz halindeki azot oksitlerin(NO, NO2, vb.) azaltılması için yeni teknolojilerin geliştirilmesi, popüler araştırma alanlarındanbiri olmaya devam edecektir. Bu doğrultuda birçok teknoloji geliştirilmiş ve uygulanıyor olsa daalternatif teknolojilerin geliştirilmesi hala tartışmaya açık bir konudur. Bu bağlamda,fotokatalitik metodlar bu çevre probleminin üstesinden gelmek için oldukça umut vadedenfırsatlar sunabilir; çünkü mor ötesi (UV) ve görünür ışık yardımıyla atmosferik koşullarda NOxdönüşümlerine imkan tanımaktadırlar.Bu çalışmamızda, daha önceki çalışmalarda performans analizi için kullanılan fotonikverimliliğin yerine farklı bir analiz yöntemi önerilmiştir. Bu yöntemde, toplam NO dönüşümü veNOx depolama seçiciliği ile birlikte `DeNOx Endeksi` kullanılmıştır. Bu endeks, NO ve NO2'ninzehirliliklerini göz önüne alarak toplam hava kirliliğine etkilerini göstermektedir. Bu yeniyöntem, öncelikli olarak `sol-jel birlikte çöktürme yöntemiyle` sentezlenmiş ve daha öncefotokatalitik testlerde çalışılmış TiO2-Al2O3 (P2) malzemelerine uygulanmıştır. Bir sonrakiaşamada ise bu P2 oksit karışımının içine toprak alkali oksidi olan CaO eklenmiş, NOxyükseltgeme/depolama üzerindeki etkileri incelenmiştir. CaO'ın P2 malzemesine eklenmesi herne kadar NOx depolanmasını artırmışsa bile toplam NO dönüşümünü zayıflatmıştır. Bu yüzden,referans malzeme olarak kullanılan Degussa P25 TiO2'in piyasada bulunan iki farklı oksit (CaOve γ-Al2O3) ile fiziksel olarak karıştırılmasına karar verilmiştir. Bu metal oksitlerden, CaO γ-Al2O3'e oranla NOx depolaması için `yüksek alkaliliğe` sahip olsa da γ-Al2O3'nın oksidasyonürünlerini depolamak için yüksek yüzey alanına ve gözenekliliğe sahip olması da başka önemlibir unsurdur. Bunları göz önüne alarak, çeşitli oranlarda ikili veya üçlü karışımlar hazırlanmış,UV ve görünür ışık altında fotokatalitik testlere tabii tutulmuştur. Bu deneyler sonucunda,CaO'in γ-Al2O3'e oranla NOx depolamasını daha büyük ölçüde iyileştirdiği gözlenmiştir. Öteyandan, daha az miktarda titanya içeren yüksek performanslı üçlü karışımların alümina sayesindeelde edilebileceğini de belirtmek gerekir.Bunlara ek olarak, bazı fiziksel karışımların farklı bağıl nem koşulları ve deney sürelerialtında performansları incelenmiştir. Bu deneyler, incelenen malzemelerin yüzeylerindegerçekleşen NOx adsorpsiyonu ve oksidasyonu ile ilgili ilginç sonuçlar sunmuştur. Fakat mevcutbulgular, moleküler düzeyde fotokatalitik NO oksidasyonu ve depolanmasının temelmekanizmalarını tamamen anlamak için yeterli olmadığından; daha detaylı çalışmaların gerekliolduğuna karar verilmiştir.Anahtar Sözcükler: Fotokatalitik NOx Yükseltgenmesi-Depolanması, Titanya, DeNOx Endeksi,NO Dönüşümü Aktivitesi

Developing new technologies for the abatement of gaseous nitrogen oxides (NO, NO2,etc.) will still be one of the popular research fields; because fossil fuels (mainly coal and naturalgas) will remain as the main energy sources for many decades to come. Although varioustechnologies have been developed and implemented for DeNOx processes, alternative approachesare still open to discussion. Among these; Photocatalytic NOx Oxidation-Storage (PhoNOS) canoffer promising opportunities to overcome this environmental challenge, as it can be utilizedunder ambient conditions with the help of UV and visible light irradiation.In this study; firstly, a new performance analysis method was developed other than thephotonic efficiencies used in previous works. In this analysis method, a `DeNOx Index` wasutilized. This index indicates the net change in total air pollution due to NOx species bycomparing the relative contributions of NO and NO2 along with NO conversion and solid stateNOx storage selectivity. This new method was first applied on previously studied TiO2-Al2O3binary oxide samples (P2) synthesized by sol-gel co-precipitation method in comparison withcommercially available Degussa P25 TiO2. Furthermore, TiO2-Al2O3 (P2) binary oxides werealso physically/mechanically mixed with an alkaline earth oxide, CaO. Addition of CaO to P2binary oxides decreased the NO conversion while enhancing the NOx storage. In order toalleviate the loss of NO conversion in CaO+P2 systems, physical mixtures of P25 TiO2 with twodifferent commercial metal oxides (CaO and γ-Al2O3) were prepared and investigated. WhileCaO provides `higher alkalinity` (i.e. a desirable property for the solid state storage of acidicgaseous NOx species) than γ-Al2O3, mesoporous γ-Al2O3 can provide a higher porosity andspecific surface area for the adsorption and storage of the oxidation products in the solid state.Considering these, binary or ternary mixtures with various compositions were prepared andcatalytically tested under UV and Visible light irradiation. It was found out that the boostingeffect of CaO on NOx storage is more significant than that of γ-Al2O3 for the binary oxides. Onthe other hand, it should be noted that ternary mixtures containing smaller amounts of titaniawith high performance can also be obtained by incorporating alumina into the mixture.In addition to these, performances of selected samples were studied under differenthumidity conditions and experimental durations. These experiments yielded interestingimplications regarding NOx adsorption-oxidation phenomena on the investigated mixed oxidesurfaces. Current findings indicate that further experiments are required to fully understand thefundamental mechanisms of photocatalytic NO oxidation and storage at the molecular level.Keywords: Photocatalytic NOx Oxidation-Storage, Titania, DeNOx Index, NO ConversionActivity