Le stannate (SrSnO3) et le titanate de strontium (SrTiO3) sont des oxydes de type pérovskite, de structures orthorhombique (Pbnm) et cubique (Pm3m), respectivement. Ces matériaux ont reçu beaucoup d'attention ces dernières années en raison de leurs propriétés physiques et chimiques intéressantes conduisant à différents types d'applications technologiques. Pour ces raisons, ces deux matériaux ont été combinés pour obtenir la solution solide de SrSn1-xTixO3, sous forme de poudres et couches minces. Au niveau des poudres, la solution solide a présenté des transitions de phases successives allant d'une structure orthorhombique à tétragonale puis cubique avec l’augmentation de la quantité de Ti4+ dans le système. Ces transitions ont été observées par affinement Rietveld des spectres de diffraction des rayons X et confirmées par spectroscopie Raman. Ces différentes structures cristallines ont conduit à des propriétés différentes de photoluminescence dans le spectre visible, l’émission variant d’une région de basse énergie vers les régions de plus haute énergie avec l’augmentation de Ti4+ dans la structure (structure orthorhombique (SrSnO3), tétragonale (SrSn0,75Ti0,25O3) à cubique (SrSn0,50Ti0,50O3, SrSn0,25Ti0,75O3 et SrTiO3). Ces émissions sont probablement favorisées par différents types de défauts formés dans le gap d’énergie de ces matériaux. Par ailleurs, les couches minces ont montré différents types de croissance qui ont été fortement influencés par la nature cristalline du substrat, la composition des films ainsi que par la méthode de dépôt utilisée (dépôt par voie chimique en solution – CSD – et dépôt par ablation laser pulsé – PLD). Les films minces déposés sur silice sont polycristallins (croissance aléatoire des cristallites), les couches sur saphir-R (Al2O3-012) sont également polycristallines mais avec une orientation préférentielle (h00) quand préparées par PLD (croissance texturée), excepté SrTiO3 qui est épitaxié avec une rotation de 45º par rapport au plan du substrat de saphir-R. Tous les films déposés sur LAO (LaAlO3-100) sont épitaxiés (h00) quelque soit la méthode de dépôt. De plus, les caractéristiques morphologiques et les propriétés photocatalytiques des films ont également été fortement influencées par ces mêmes paramètres cités précédemment. Concernant les propriétés photocatalytiques, les films préparés par la méthode CSD ont été plus efficaces que ceux obtenus par PLD et les couches de compositions plus riches en Sn4+ ont été plus actives face à la photodégradation du colorant Remazol jaune or, l’efficacité maximale étant observée pour la couche polycristalline de SrSnO3 obtenue par CSD avec un pourcentage de dégradation et de décoloration d’environ 55 et 90 %, respectivement. Le type de croissance des films de SrSnO3 préparés par les deux méthodes de dépôt a aussi montré une forte influence sur la photodégradation du colorant, les couches polycristallines d’orientation aléatoire obtenues sur silice étant plus efficaces que les texturées, elles-mêmes plus efficaces que les couches épitaxiales. / Strontium stannate (SrSnO3) and titanate (SrTiO3) are perovskite type oxides that have orthorhombic (Pbnm) and cubic (Pm3m) structures, respectively. These materials have received much attention due to their interesting physical and chemical characteristics, leading to a variety of technological applications. In this sense, these two materials were combined to each other in order to obtain powders and thin films of a solid solution, SrSn1-xTixO3. In relation to the powders, this solid solution presented successive phase transitions ranging from orthorhombic and tetragonal structures to a cubic one with increasing of Ti4+ amount in the composition. These transitions were observed by XRD Rietveld refinement of the samples and confirmed by Raman spectroscopy. The different crystalline structures of the compositions within the solid solution led to different photoluminescent properties in the visible spectrum varying the range of emission, moving from a lower energy region to a higher one with increasing of Ti4+ in the structure (from orthorhombic (SrSnO3), tetragonal (SrSn0.75Ti0.25O3) to cubic (SrSn0.50Ti0.50O3 ; SrSn0.25Ti0.75O3 and SrTiO3). These emissions were probably favored by specific defects created inside the band gap of these materials. On the other hand, the thin films of this system showed different growth orientations that are associated to the crystalline nature of the substrates, the composition of the thin films and the deposition method (Chemical Solution Deposition - CSD - and Pulsed Laser Deposition - PLD). The films deposited on silica substrate were polycrystalline (random growth of the crystallites), whereas the films deposited on sapphire-R (Al2O3-012) were also polycrystalline, with a preferred orientation (h00) for the films deposited by PLD (textured growth), except SrTiO3 which was rotated 45° epitaxially in the sapphire plane. On the contrary, all of the films deposited on LAO (LaAlO3-100) had an (h00) epitaxial growth. In addition to that, the morphological characteristics and photocatalytic properties were strongly influenced also by the same parameters described above. Regarding the photocatalytic efficiency of the films, those obtained by CSD were more efficient than the ones obtained by PLD. Moreover, the films with Sn4+ richer compositions were the most active in the photodegradation of the azo dye Remazol yellow gold, reaching a maximum efficiency with the polycrystalline SrSnO3 thin film obtained by CSD whose degradation and decolorization percentage were 55 and 90 %, respectively. The type of orientation of the SrSnO3 films showed also a strong influence on the photodegradation of the dye. The polycrystalline films with a random orientation obtained on silica were more efficient than the textured films and these ones were more than the epitaxial films. / O estanato (SrSnO3) e o titanato de estrôncio (SrTiO3) são óxidos do tipo perovskita que apresentam estrutura ortorrômbica (Pbnm) e cúbica (Pm3m), respectivamente. Estes materiais têm recebido bastante atenção nos últimos anos devido às suas características físicas e químicas interessantes, levando à diferentes tipos de aplicações tecnológicas. Portanto, estes dois materiais foram combinados com intuito de obter uma solução sólida, SrSn1-xTixO3, na forma de pós e filmes finos. Em relação aos pós, esta solução sólida apresentou transições de fase sucessivas com o aumento da quantidade de Ti4+ no sistema, passando de uma estrutura ortorrômbica à tetragonal levando à cúbica. Estas transições foram observadas através de difração de raios-X e refinamento Rietveld, e confirmadas por espectroscopia vibracional Raman. Os diferentes tipos de estrutura cristalina das composições da solução sólida levaram a diferentes propriedades fotoluminescentes no espectro visível, variando a região de emissão de mais baixa à mais alta energia com o aumento de Ti4+ na estrutura, ou seja, passando da estrutura ortorrômbica (SrSnO3), tetragonal (SrSn0,75Ti0,25O3) até à cúbica (SrSn0,50Ti0,50O3, SrSn0,25Ti0,75O3 e SrTiO3). Estas emissões foram provavelmente favorecidas pelos tipos de defeitos específicos criados dentro do band gap destes materiais. Por outro lado, os filmes finos deste sistema apresentaram diferentes tipos de crescimento os quais são associados à natureza cristalina dos substratos, composição dos filmes e com o método de deposição utilizado (método de deposição química em solução - CSD - e método de deposição por laser pulsado – PLD). Os filmes depositados sobre sílica e safira-R (Al2O3-012) apresentaram como policristalinos (crescimento aleatorio dos cristalitos), enquanto os filmes depositados por PLD apresentaram orientação preferencial (h00) (crescimento texturizado), com exceção do filme de SrTiO3 que é epitaxial rotacionado em 45º no plano da safira-R. Todos os filmes depositados através dos dois métodos de deposição sobre LAO (LaAlO3-100) apresentaram um crescimento epitaxial (h00). Além disso, as características morfológicas e as propriedades fotocatalíticas também apresentaram forte influencia dos mesmos parâmetros acima citados. Em relação às propriedades fotocatalíticas, os filmes obtidos pelo método CSD apresentaram maior eficiência que os obtidos por PLD e os filmes com composições mais ricas em Sn4+ foram os mais ativos na fotodegradação do corante azo Remazol amarelo ouro, chegando a uma eficiência fotocatalítica máxima com o filme policristalino de SrSnO3 obtido por CSD com percentagem de degradação e de descoloração de 55 e 90 %, respectivamente. A orientação dos filmes de SrSnO3 também mostrou uma forte influencia na fotodegradação do corante, sendo os filmes policristalinos com orientação aleatória mais eficiente que o texturizado e estes por sua vez mais eficientes que os epitaxiais.

In der vorliegenden Arbeit werden Möglichkeiten der Stabilisierung und die photokatalytische Aktivität von Polymorphen des Bismut(III)-oxids, synthetisiert ausgehend von nanoskaligen, polynuklearen Bismutoxidoclustern, beschrieben. Hydrolyse- und Kondensationsstudien werden mit dem Ziel der Aufklärung von Bildungsprozessen von Bismutoxidoclustern ausgehend von bismutnitrat- und bismutsilanolathaltigen Lösungen durchgeführt. Basierend auf polynuklearen Modellverbindungen wird durch deren Hydrolyse und anschließende thermische Behandlung die Darstellung von Nanopartikeln von verschiedenen Polymorphen des Bismut(III)-oxids erreicht. Die Reaktivität der synthetisierten β Bi2O3 Nanopartikel wird zur Synthese von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp ausgenutzt. Diese Verbindungen sind isostrukturell zum metastabilen γ-Bi2O3. Die isolierten oxidischen Materialien weisen eine hohe photokatalytische Aktivität gegenüber wässrigen Rhodamin B Lösungen bei der Bestrahlung mit sichtbarem Licht auf. Für die β Bi2O3 Nanopartikel wird ebenso die photokatalytische Aktivität gegenüber wässrigen Farbstofflösungen von Indigokarmin, Orange G, Methylorange und Methylenblau sowie wässrigen Schadstofflösungen von Phenol, 4-Chlorphenol, 2,4-Dichlorphenol, 4-Nitrophenol, Triclosan und Ethinylestradiol beschrieben. Die Charakterisierung der synthetisierten Verbindungen erfolgte unter anderem mittels Einkristall-Röntgenstrukturanalyse, Röntgenpulverdiffraktometrie, NMR-Spektroskopie, FTICR-ESI-Massenspektrometrie, UV/Vis-, Infrarot- und Ramanspektroskopie sowie thermischen Analysemethoden.:Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen ix 1 Einleitung und Problemstellung 1 1.1 Motivation 2 1.2 Das weltweite Wasserproblem 3 1.3 Bismuthaltige Verbindungen als Ausgangsstoffe für eine „grüne“ Zukunft 8 1.4 Konzept zur Durchführung der vorliegenden Untersuchungen 11 2 Bismutoxidocluster 13 2.1 Der Weg von bismuthaltigen Lösungen zu Bismutoxidoclustern 14 2.2 Untersuchungen zum Reaktionsverhalten von Bismut(III)-nitrat in Lösung 22 2.2.1 Kristallisation von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]•H2O (1) 22 2.2.2 Kristallisation von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 32 2.2.3 Umsetzungen von [Bi22O26(OSiMe2tBu)14] mit Methylsalicylsäuren und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 43 2.2.4 Kristallisation von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)] •DMSO∙2H2O (4) 58 2.2.5 Kristallisation von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 64 3 Bismut(III)-oxide 71 3.1 Grundlagen 72 3.1.1 Der ausgeprägte Polymorphismus von Bi2O3 und dessen Auswirkungen 72 3.1.2 Strukturelle Betrachtungen der einzelnen Bi2O3-Polymorphe 78 3.1.3 Strukturelle Beziehungen zwischen den Bismutoxidpolymorphen 84 3.2 Hydrolyse von Bismutoxidoclustern 86 3.2.1 Stabilisierung von β-Bi2O3 89 3.2.2 Stabilisierung von „γ-Bi2O3“ sowie von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 114 3.2.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 126 4 Photokatalytische Untersuchungen an Bismut(III)-oxiden 135 4.1 Grundlagen der Photokatalyse mit Halbleitern 136 4.1.1 Historische Entwicklungen und potentielle Anwendungen 136 4.1.2 Definition von Begriffen und Anforderungen im Bereich der Photokatalyse 139 4.1.3 Mechanismen der photokatalytischen Aktivität für den Abbau von Schadstoffen 141 4.1.4 Eigenschaften und Charakteristika von Halbleiter-Photokatalysatoren 143 4.1.5 Zersetzung von Rhodamin B und deren Kinetik als Beispiel für photokatalytische Abbaureaktionen 147 4.2 Ergebnisse und Diskussion 151 4.2.1 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von β-Bi2O3 153 4.2.2 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von „γ-Bi2O3“ bzw. von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 176 4.2.3 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von δ-Bi2O3 179 4.2.4 Zusammenfassung der photokatalytischen Untersuchungen 181 5 Zusammenfassung und Ausblick 182 6 Experimenteller Teil 193 6.1 Arbeitstechniken und verwendete Geräte 194 6.2 Synthese der Bismutoxidocluster 198 6.2.1 Synthese von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]∙H2O (1) 198 6.2.2 Synthese von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 198 6.2.3 Synthese von [Bi22O26(HSalxMe)14] und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 199 6.2.4 Synthese von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)]•DMSO∙2H2O (4) 201 6.2.5 Synthese von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 202 6.3 Synthese der Bismut(III)-oxide 202 6.3.1 Synthese von β-Bi2O3 202 6.3.2 Synthese von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 208 6.3.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 209 6.4 Photokatalytische Untersuchungen 210 7 Literaturverzeichnis 211 8 Anhang 236 8.1 Abbildungen und Tabellen 237 8.2 Kristallographische Daten 247 8.3 Ausgewählte Veröffentlichungen 249 Curriculum Vitae 254 Publikationsverzeichnis 255 Tagungsbeiträge 257 / The present essay describes the stabilization and photocatalytic activity of different polymorphs of bismuth(III) oxide which were prepared starting from nanoscaled, polynuclear bismuth oxido clusters. Hydrolysis and condensation processes of bismuth nitrate as well as bismuth silanolates in solution were performed to provide an insight into the formation process of bismuth oxido clusters. Nanoparticles of different polymorphs of bismuth(III) oxide were obtained by hydrolysis, followed by annealing steps at temperatures of 370 °C and 600 °C starting from polynuclear bismuth compounds, respectively. The high reactivity of the as-prepared β-Bi2O3 nanoparticles was used to synthesize sillenite-type compounds at rather low temperatures which are isostructural to metastable γ-Bi2O3. The isolated oxidic materials show promising photocatalytic activities exemplified by the degradation of aqueous Rhodamine B solutions under visible light irradiation. Additionally, the β- Bi2O3 nanoparticles were tested in photodegradation processes of aqueous solutions containing different dyes such as indigo carmine, orange G, methyl orange and methylene blue as well as typical organic pollutants such as phenol, 4-chlorophenol, 2,4-dichlorophenol, 4-nitrophenol, triclosan and ethinyl estradiol. The characterization of the as-prepared materials was performed using single crystal X-ray diffraction, powder X-ray diffraction analysis, NMR spectroscopy, FTICR- electrospray ionization mass spectrometry, UV/Vis-, IR- and Raman spectroscopy, electron microscopy, nitrogen physisorption as well as thermal analyses.:Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen ix 1 Einleitung und Problemstellung 1 1.1 Motivation 2 1.2 Das weltweite Wasserproblem 3 1.3 Bismuthaltige Verbindungen als Ausgangsstoffe für eine „grüne“ Zukunft 8 1.4 Konzept zur Durchführung der vorliegenden Untersuchungen 11 2 Bismutoxidocluster 13 2.1 Der Weg von bismuthaltigen Lösungen zu Bismutoxidoclustern 14 2.2 Untersuchungen zum Reaktionsverhalten von Bismut(III)-nitrat in Lösung 22 2.2.1 Kristallisation von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]•H2O (1) 22 2.2.2 Kristallisation von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 32 2.2.3 Umsetzungen von [Bi22O26(OSiMe2tBu)14] mit Methylsalicylsäuren und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 43 2.2.4 Kristallisation von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)] •DMSO∙2H2O (4) 58 2.2.5 Kristallisation von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 64 3 Bismut(III)-oxide 71 3.1 Grundlagen 72 3.1.1 Der ausgeprägte Polymorphismus von Bi2O3 und dessen Auswirkungen 72 3.1.2 Strukturelle Betrachtungen der einzelnen Bi2O3-Polymorphe 78 3.1.3 Strukturelle Beziehungen zwischen den Bismutoxidpolymorphen 84 3.2 Hydrolyse von Bismutoxidoclustern 86 3.2.1 Stabilisierung von β-Bi2O3 89 3.2.2 Stabilisierung von „γ-Bi2O3“ sowie von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 114 3.2.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 126 4 Photokatalytische Untersuchungen an Bismut(III)-oxiden 135 4.1 Grundlagen der Photokatalyse mit Halbleitern 136 4.1.1 Historische Entwicklungen und potentielle Anwendungen 136 4.1.2 Definition von Begriffen und Anforderungen im Bereich der Photokatalyse 139 4.1.3 Mechanismen der photokatalytischen Aktivität für den Abbau von Schadstoffen 141 4.1.4 Eigenschaften und Charakteristika von Halbleiter-Photokatalysatoren 143 4.1.5 Zersetzung von Rhodamin B und deren Kinetik als Beispiel für photokatalytische Abbaureaktionen 147 4.2 Ergebnisse und Diskussion 151 4.2.1 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von β-Bi2O3 153 4.2.2 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von „γ-Bi2O3“ bzw. von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 176 4.2.3 Untersuchungen zur photokatalytischen Aktivität von δ-Bi2O3 179 4.2.4 Zusammenfassung der photokatalytischen Untersuchungen 181 5 Zusammenfassung und Ausblick 182 6 Experimenteller Teil 193 6.1 Arbeitstechniken und verwendete Geräte 194 6.2 Synthese der Bismutoxidocluster 198 6.2.1 Synthese von [Bi6O4(OH)4(NO3)6(H2O)2]∙H2O (1) 198 6.2.2 Synthese von [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)26}•2DMSO] [{Bi38O45(NO3)24(DMSO)24}•0.5DMSO] ([2a][2b]) 198 6.2.3 Synthese von [Bi22O26(HSalxMe)14] und Kristallisation von [Bi38O45(HSal4Me)24(DMSO)13.2]•6H2O (3) 199 6.2.4 Synthese von [Bi38O45(HSal)22(OMc)2(DMSO)15(H2O)]•DMSO∙2H2O (4) 201 6.2.5 Synthese von [Bi(C18H14P(O)SO3)2(DMSO)3](NO3)•DMSO∙2H2O (5) 202 6.3 Synthese der Bismut(III)-oxide 202 6.3.1 Synthese von β-Bi2O3 202 6.3.2 Synthese von Verbindungen vom Sillenit-Strukturtyp 208 6.3.3 Stabilisierung von δ-Bi2O3 209 6.4 Photokatalytische Untersuchungen 210 7 Literaturverzeichnis 211 8 Anhang 236 8.1 Abbildungen und Tabellen 237 8.2 Kristallographische Daten 247 8.3 Ausgewählte Veröffentlichungen 249 Curriculum Vitae 254 Publikationsverzeichnis 255 Tagungsbeiträge 257

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden zwei verschiedene Klassen oxidischer Nanomaterialien nasschemisch synthetisiert und strukturell-morphologisch charakterisiert. Zum einen betrifft dies TiO2-, TiO2/SiO2-, Ag/TiO2- und Pd/TiO2-Sole, welche die photokatalytisch aktive Modifikation Anatas in nanokristalliner Form enthalten und über einen solvothermalen Sol-Gel-Prozess hergestellt werden konnten. Im Hinblick auf eine potentielle Anwendung in der Desinfektionstechnologie und für den Abbau organischer Umweltschadstoffe wurde die photokatalytische Aktivität von Pulvern und Beschichtungen auf Textil durch E. coli-Abtötung bzw. Modellfarbstoffabbau untersucht. Im Weiteren wurde die antimikrobielle Aktivität pyroelektrischer LiNbO3- und LiTaO3-Pulvermaterialien unter zyklischer thermischer Anregung nachgewiesen. Diese als Pyroelektrokatalyse bezeichnete Nutzung des pyroelektrischen Effektes in einem katalytischen bzw. elektrochemischen Prozess ist dabei von grundlegender Neuheit. Aufsetzend auf den physiko-chemischen Grundlagen dieses Phänomens wurde eine Hypothese des Mechanismus entwickelt und in Analogie zur Photokatalyse diskutiert. / This thesis deals with two classes of oxidic nanomaterials that were synthesized by chemical solution routes and characterized with respect to structure and morphology. Sols of TiO2, TiO2/SiO2, Ag/TiO2 and Pd/TiO2 containing the photocatalytically active modification anatase in nanocrystalline form were prepared via a solvothermal sol-gel process. With regard to potential application in disinfection and environmental remediation technology the photocatalytic activity of powders and coatings on textile was investigated by means of E. coli decomposition and organic dye degradation. Further the antimicrobial activity of pyroelectric LiNbO3 and LiTaO3 powder materials under cyclical thermal excitation was demonstrated. In this context the application of the pyroelectric effect in a catalytic or electrochemical process – termed as pyroelectrocatalysis – is of fundamental novelty. Based on the physico-chemical principles of the phenomenon a hypothesis of the mechanism was developed and discussed in analogy with photocatalysis.

[ES] El mundo se enfrenta a una profunda crisis asociada al agua y la reutilización de aguas residuales urbanas (UWW), especialmente en agricultura, se presenta como una posible solución para abordar este problema. No obstante, la reutilización se debe promover dentro de unos límites mínimos de calidad del agua, los cuales pueden alcanzarse mediante la implementación de eficientes tratamientos terciaros en las actuales plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas. En las últimas décadas, los Procesos de Oxidación Avanzada (POA), basados en la generación de especies reactivas del oxígeno altamente oxidantes y no selectivas, se han planteado como alternativa a los tratamientos convencionales para desinfección y descontaminación de agua residual. El objetivo general de este estudio es, por tanto, la evaluación de nuevos POA para desinfección y descontaminación simultánea de agua, investigando: (i) fotocatálisis heterogénea solar con ZnO modificado (Ce, Yb y Fe) y TiO2-P25 de referencia, (ii) peroximonosulfato (PMS) bajo radiación solar natural (PMS/Solar), (iii) POA basados en radical sulfato utilizando PMS y radiación UV-C (PMS/UV-C) y (iv) combinación de ZnO modificado con PMS como estrategia de tratamiento. Los objetivos biológicos y químicos analizados en este estudio fueron: tres patógenos de impacto en salud humana (dos bacterias gram-negativas Escherichia coli, Pseudomonas spp y una gram-positiva Enterococcus spp) y tres Contaminantes de Preocupación Emergente (CE) (Diclofenaco-DCF, Sulfametoxazol-SMX y Trimetoprim-TMP). La fotoactividad de ZnO modificado con Ce, Yb o Fe se evaluó a escala de laboratorio (200 mL), obteniendo buenas cinéticas de inactivación bacteriana y degradación de CE. El ZnO-Ce mostró el mejor rendimiento, no obstante, se descartó el escalado de este proceso tanto su aplicación directa, considerando su similar eficiencia en comparación con TiO2-P25 y por el alto coste del tratamiento, como en combinación con PMS, por la la liberación de Zn2+ al agua tratada. El uso directo de PMS como agente oxidante para el tratamiento de agua y UWW se ha demostrado en este estudio, aumentado su eficiencia al ser el sistema irradiado tanto con lámparas UV-C como con luz solar natural. Se han postulado diferentes mecanismos de inactivación y degradación de CE para cada tipo de irradiación: activación de PMS para generar radicales (con fotones UV-C) y la no activación o mecanismo de oxidación directo (con luz solar natural). La capacidad de los procesos PMS/Solar y PMS/UV-C se evaluó en UWW a escala de planta piloto en un Colector Parabólico Compuesto (10 L) y en una planta piloto de UV-C (80 L), respectivamente. El mejor rendimiento de tratamiento se alcanzó con una concentración de PMS de 1 mM en ambos casos, logrando una inactivación exitosa de todos los objetivos microbianos (incluyendo bacterias resistentes a antibióticos), sin observar recrecimiento bacteriano tras 48 h y eliminando de manera eficiente los CE. Por otro lado, la eliminación eficiente de genes de resistentes a antibióticos y productos de transformación se obtuvo con PMS/UV-C, mientras que éstos parámetros siguen siendo un reto a abordar en el caso del proceso PMS/Solar. En ningún caso se observó toxicidad del agua tratada para Aliivibrio fischeri, excluyendo un efecto nocivo para el medio ambiente receptor del efluente, y solo un leve efecto fitotóxico en el crecimiento de dos de las tres semillas analizadas (L. sativum y S. alba), indicando la idoneidad del efluente para su reutilización en riego. Finalmente, el análisis de costes demostró que este factor clave podría ser una barrera importante para la implementación del proceso PMS/Solar en plantas centralizadas de tratamiento de UWW. No obstante, su consideración como sistemas descentralizados asociados a pequeños volúmenes de agua en zonas con alta incidencia de radiación solar, ahorrando costes energéticos mediante el aprovechamiento de la luz solar, podría ser una opción real y asequible. / [CA] El món s'enfronta a una profunda crisi associada a l'aigua i la reutilització d'aigües residuals urbanes (UWW), especialment en agricultura, es presenta com una possible solució per a abordar aquest problema. No obstant això, la reutilització s'ha de promoure dins d'uns límits mínims de qualitat de l'aigua, els quals poden aconseguir-se mitjançant la implementació d'eficients tractaments terciaris en les actuals plantes de tractament d'aigües residuals urbanes. En les últimes dècades, els Processos Avançats d'Oxidació (PAO), basats en la generació d'espècies reactives d'oxigen altament oxidants i no selectives, s'han plantejat com a alternativa als tractaments convencionals per a desinfecció i descontaminació d'aigua residual. L'objectiu general d'aquest estudi és, per tant, l'avaluació de nous POA per a desinfecció i descontaminació simultània d'aigua, investigant: (i) fotocatàlisi heterogènia solar amb ZnO modificat (Ce, Yb i Fe) i TiO2-P25 de referència, (ii) peroximonosulfat (PMS) baix radiació solar natural (PMS/Solar), (iii) POA basats en radical sulfat utilitzant PMS i radiació UV-C (PMS/UV-C) i (iv) combinació de ZnO modificat amb PMS com a estratègia de tractament. Els objectius biològics i químics analitzats en aquest estudi van ser: tres patògens d'impacte en salut humana (dos bacteris gram-negatius Escherichia coli, Pseudomonas spp i un gram-positiu Enterococcus spp) i tres Contaminants de Preocupació Emergent (CE) (Diclofenac-DCF, Sulfametoxazol-SMX i Trimetoprim-TMP). La fotoactivitat de ZnO modificat amb Ce, Yb o Fe es va avaluar a escala de laboratori (200 mL), obtenint bones cinètiques d'inactivació bacteriana i degradació de CE. El ZnO-Ce va mostrar el millor rendiment, no obstant això, es va descartar l'escalat d'aquest procés tant mitançant la seua aplicació directa o com en combinació amb PMS, considerant la seua similar eficiència en comparació amb TiO2-P25, l'alt cost del tractament i l'alliberament de Zn2+ a l'aigua tractada. L'ús directe de PMS com a agent oxidant per al tractament d'aigua i UWW s'ha demostrat en aquest estudi, augmentat la seua eficiència quan el sistema és irradiat tant amb llums UV-C com amb llum solar natural. S'han postulat diferents mecanismes d'inactivació i degradació de CE per a cada tipus d'irradiació: activació de PMS per a generar radicals (amb fotons UV-C) i la no activació o mecanisme d'oxidació directe (amb llum solar natural). La capacitat dels processos PMS/Solar i PMS/UV-C es va avaluar en UWW a escala de planta pilot en un Col·lector Parabòlic Compost (10 L) i en una planta pilot d'UV-C (80 L), respectivament. El millor rendiment de tractament es va aconseguir amb una concentració de PMS d'1 mm en tots dos casos, aconseguint una inactivació reeixida de tots els objectius microbians (incloent bacteris resistents a antibiòtics), sense observar recreixement bacterià després de 48 h i eliminant de manera eficient els CE. D'altra banda, l'eliminació eficient de gens de resistents a antibiòtics i productes de transformació es va obtindre amb PMS/UV-C, mentre que aquests paràmetres continuen sent un repte a abordar en el cas del procés PMS/Solar. En cap cas es va observar toxicitat a l'aigua tractada per a Aliivibrio fischeri, excloent un efecte nociu per al medi ambient receptor de l'efluent, i només un lleu efecte fitotòxic en el creixement de dos de les tres llavors analitzades (L. sativum i S. alba), indicant la idoneïtat de l'efluent per a la seua reutilització en reg. Finalment, l'anàlisi de costos va demostrar que aquest factor clau podria ser una barrera important per a la implementació del procés PMS/Solar en plantes centralitzades de tractament de UWW. No obstant això, la seua consideració com a sistemes descentralitzats associats a xicotets volums d'aigua en zones amb alta incidència de radiació solar, estalviant costos energètics mitjançant l'aprofitament de la llum solar, podria ser una opció real i assequible. / [EN] It is well recognized that the world is facing a water crisis and the reuse of urban wastewater (UWW) in agriculture, has been gaining attention as a reliable solution to address this problem. It is mandatory to promote the safe water reuse and minimum water quality limits could be achieved by upgrading the Urban Wastewater Treatment Plants, through the addition of an efficient tertiary treatment. In the last decades, Advanced Oxidation Processes (AOPs), relying on the potential generation of highly oxidant, reactive and non-selective Reactive Oxygen Species (ROS), have been raised as alternative to conventional treatments for both water disinfection and decontamination. The general aim of this study is the assessment of novel AOPs for the simultaneous disinfection and decontamination of water, investigating (i) solar heterogeneous photocatalysis, involving modified ZnO with Ce, Yb and Fe and the benchmark TiO2-P25, (ii) peroxymonosulfate (PMS) under natural solar radiation (PMS/Solar), (iii) Sulfate radical-based AOPs (SR-AOPs) involving PMS and UV-C radiation (PMS/UV-C) and (iv) combination of the best-performing photocatalytic material with PMS (PMS/modified ZnO). The involved biological and chemical targets in this study were: three human health impact pathogens (two gram-negative bacteria Escherichia coli, Pseudomonas spp. and the gram-positive Enterococcus spp.) and three Contaminants of Emerging Concern (CECs, Diclofenac-DCF, Sulfamethoxazole-SMX and Trimethoprim-TMP). Photoactivity of modified ZnO with Ce, Yb or Fe was assessed in 200-mL vessel reactors, attaining good target's removal kinetic rates. Best performing material was ZnO-Ce, but its feasibility for a further up-scaling was discarded both as photocatalyst alone, considering the similar performances obtained, compared to TiO2-P25 and the high treatment cost, and in combination with PMS, due to the release of high amount of Zn2+. PMS alone has been proven to be an effective oxidant agent for water and UWW treatment, increasing its effectiveness when illuminated with photons from UV-C lamps and natural sunlight. Nevertheless, different inactivation and CECs degradation mechanisms have been postulated for each type of irradiation, and according to the activation of PMS (with UV-C photons) or non-activation (under natural sunlight). The capability of PMS/Solar and PMS/UV-C processes were evaluated in actual UWW at pilot plant scale in 10-L Compound Parabolic Collector and in 80L UV-C pilot plant, respectively. Optimal load of PMS was found to be 1 mM in both cases, achieving successful inactivation of natural occurring bacteria and their antibiotic resistant counterparts, without observing bacterial regrowth after 48h and efficiently eliminating CECs. Efficient removal of antibiotic resistant genes (ARGs) and transformation products (TPs) was obtained by PMS/UV-C, while their elimination is still a challenge to be addressed in PMS/Solar process. Reclaimed UWW obtained by both PMS/Solar and PMS/UV-C process showed no toxicity towards Aliivibrio fischeri, excluding a harmful effect towards the receiving aquatic environment after effluent discharge, and a very slightly phytotoxic effect for growth of two out of the three tested seeds (L. sativum and S. alba), indicating the suitability of this water for its subsequent reuse for agriculture. The analysis of the treatment cost revealed that this key factor could be an important barrier for implementation of PMS/Solar process in large centralized UWW treatment plants. Nevertheless, its consideration as decentralized systems associated to small volume of water in areas with a high solar radiation incidence, saving energy costs by using natural solar radiation, could be a real and affordable option. / Berruti, I. (2022). Assessment of novel Advanced Oxidation Processes for the Simultaneous Disinfection and Decontamination of Water [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/183052 / TESIS

Microplastics take hundreds to thousands of years to degrade in nature, and pose a threat to the environment. A photocatalytical degradation method have been developed to take advantage of solar light to degrade microplastics, however it takes several months to degrade microplastics with the process. The purpose of this study is to enhance the degradation rate of microplastics by synthesizing a material where photocatalysis is combined with Fenton reaction. A material with zinc oxide nanorods coated with tin oxide and decorated with iron particles (𝑍𝑛𝑂/𝑆𝑛𝑂2/𝐹𝑒0) was synthesized and used to degrade methylene blue, polystyrene and polypropylene. The result show that the degradation rate with a 𝑍𝑛𝑂/𝑆𝑛𝑂2/𝐹𝑒0 – sample is faster than with a 𝑍𝑛𝑂 – sample, and that it can be used to degrade polystyrene and polypropylene.Students’ view on researchers can affect the development of their interest and attitude towards science. Study visits to laboratories have been used to increase students’ interest and give them new experiences. The purpose of this study is to investigate what and how high school students learn during a study visit to a nanotechnology laboratory, and how the study visit affects high school students’ interest and motivation for research and learning. A study visit with 5 stations was organized, and students were given a questionnaire about what they learned during the study visit. Thematic analysis was used to analyze the students’ answers. The result shows that the study visit increased students’ interest in research, and the importance of designing stations so that they are connected to students’ previous knowledge and are within their proximal development zone. / Mikroplaster tar hundratals till tusentals år att bryta ner i naturen och utgör ett hot mot miljön. En fotokatalytisk nedbrytningsprocess har utvecklats där solljus utnyttjas för att bryta ner mikroplaster, dock tar det flera månader att bryta ner mikroplaster med den processen. Syftet med denna studie är att förbättra nedbrytningshastigheten av mikroplaster genom att syntetisera ett material där fotokatalys kombineras med Fenton-reaktion. Ett material med zinkoxid nanorör belagda med tennoxid och dekorerade med järnpartiklar (𝑍𝑛𝑂/𝑆𝑛𝑂2/𝐹𝑒0) syntetiserades och användes för att bryta ner metylenblått, polystyren och polypropen. Resultatet visar att nedbrytningshastigheten med 𝑍𝑛𝑂/𝑆𝑛𝑂2/𝐹𝑒0 – materialet är snabbare än med ett 𝑍𝑛𝑂 – material, och att 𝑍𝑛𝑂/𝑆𝑛𝑂2/𝐹𝑒0 – materialet kan användas för att bryta ned polystyren och polypropen.Elevers syn på forskning och forskare kan påverka utvecklingen av deras intresse och inställning till vetenskap. Studiebesök på laboratorier har använts för att öka elevernas intresse och ge dem nya erfarenheter. Syftet med denna studie är att undersöka vad och hur gymnasieelever lär sig under ett studiebesök i ett nanotekniklaboratorium och hur studiebesöket påverkar gymnasieelevernas intresse och motivation för forskning och lärande. Ett studiebesök med 5 stationer organiserades och eleverna fick ett frågeformulär om vad de lärde sig under studiebesöket. Tematisk analys användes för att analysera elevernas svar. Resultatet visar att studiebesöket ökade elevernas intresse för forskning och vikten av att utforma stationer så att de är kopplade till elevernas tidigare kunskaper och ligger inom deras proximala utvecklingszon.

Am Beispiel von ferroelektrischen Systemen auf Bismut-Basis (Bismutmolybdat, Bismutwolframat und Bismuttitanat) und von Strontiumbariumniobat werden neue Möglichkeiten zur Synthese solcher Nanopartikel aufgezeigt. Die Integration der Nanopartikel in transparente Nanokompositmaterialien und die Entwicklung neuer Precursoren für die Herstellung von Dünnschichtproben gehen den Untersuchungen zur Anwendung als elektrooptische aktive Materialien voraus. Durch weitere Anwendungsmöglichkeiten in der Photokatalyse, dem Test dampfadsorptiver Eigenschaften mit Hilfe eines neuartigen Adsorptionstesters (Infrasorb) und auch mit Hilfe der Ergebnisse der ferroelektrischen Charakterisierung von gesinterten Probenkörpern aus einem Spark-Plasma-Prozess wird ein gesamtheitlicher Überblick über die vielfältigen Aspekte in der Arbeit mit nanoskaligen, ferroelektrischen Materialien gegeben.:Inhaltsverzeichnis...........................................................................................................5 Abkürzungsverzeichnis ...................................................................................................9 1. Motivation....................................................................................................................11 2. Stand der Forschung und theoretischer Teil ...............................................................14 2.1. Nanoskalige Materialien...........................................................................................15 2.1.1. Nanopartikel und Nanokompositmaterialien ....................................................... 15 2.1.2. Dünnschichten..................................................................................................... 21 2.1.3. Anwendungen in der Photokatalyse.................................................................... 22 2.1.4. Anwendungen in der Gas- und Dampfsensorik.................................................... 24 2.2. Ferroelektrika .........................................................................................................26 2.2.1. Bismutmolybdat................................................................................................... 32 2.2.2. Bismutwolframat.................................................................................................. 34 2.2.3. Bismuttitanat ....................................................................................................... 36 2.2.4. Strontiumbariumniobat......................................................................................... 37 2.3. Verwendete Methoden.............................................................................................40 2.3.1. Spark-Plasma-Sintering ........................................................................................40 2.3.2. Bestimmung ferroelektrischer Eigenschaften ...................................................... 42 2.3.3. Charakterisierung nichtlinearer, elektrooptischer Eigenschaften......................... 43 3. Experimenteller Teil ....................................................................................................51 3.1. Synthesevorschriften................................................................................................52 3.1.1. Verwendete Chemikalien und Substrate.............................................................. 52 3.1.2. Solvothermalsynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W)................................................... 55 3.1.3. Phasentransfersynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W)............................................... 56 3.1.4. Präparation von Bi2MO6/PLA Nanokompositmaterialien (M = Mo, W) ................... 57 3.1.5. Sol-Gel-Synthese von Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Ba0.25Sr0.75Nb2O6 und Dünnschichten..................... 57 3.1.6. Mikroemulsionssynthese von Bi4Ti3O12 ............................................................... 59 3.1.7. Sol-Gel-Synthese von Bi2Ti2O7............................................................................. 60 3.1.8. Synthese von BiOH(C2O4), BiOCH3COO und Bi(CH3COO)3................................... 61 3.2. Vorschriften zur Durchführung und Charakterisierung...............................................62 3.2.1. Verwendete Geräte und Einstellungen ................................................................ 62 3.2.2. Spark Plasma Sintering von Bi2MO6 (M = Mo,W) und Bestimmung ferroelektrischer Eigenschaften ........................ 65 3.2.3. Prüfung elektrooptischer Eigenschaften, Präparation der Bauteile und Messaufbau .............................................. 67 3.2.4. Durchführung photokatalytischer Messungen ....................................................... 69 3.2.5. Messung der Dampfadsorption an Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ........................................... 70 4. Ergebnisse und Diskussion...........................................................................................71 4.1. Synthese und Eigenschaften von nanoskaligen Materialien......................................72 4.1.1. Synthese von Bi2MO6 (M = Mo, W) Nanopartikeln................................................. 72 4.1.2. Nanokompositmaterialien mit Bi2MO6 (M = Mo, W)................................................ 81 4.1.3. Synthese der Bismuttitanate Bi4Ti3O12 und Bi2Ti2O7 .......................................... 84 4.1.4. Herstellung von Dünnschichten der Systeme Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Sr0.75Ba0.25Nb2O6 ................. 88 4.2. Funktion der nanoskaligen Materialien .....................................................................100 4.2.1. Bismuthaltige Nanopartikel in der Photokatalyse ..................................................100 4.2.2. Spark-Plasma-Sintern von Bi2MO6-Nanopartikel (M = Mo, W)................................103 4.2.3. Elektrooptische Eigenschaften von Dünnschichten und Kompositmaterialien ............................................................108 4.2.4. Messung der Dampfadsorption an Bi2MO6 (M = Mo, W)-Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ............114 4.3. Synthese von BiOH(C2O4), BiO(CH3COO) und Bi(CH3COO)3....................................118 5. Zusammenfassung ......................................................................................................127 6. Ausblick .......................................................................................................................131 7. Literatur ......................................................................................................................132 8. Abbildungs- und Tabellenverzeichnis ..........................................................................146 8.1. Abbildungsverzeichnis...............................................................................................146 8.2. Tabellenverzeichnis...................................................................................................152 9. Anhang ........................................................................................................................154 9.1. Synthese und Eigenschaften von nanoskaligen Materialien......................................155 9.1.1. Solvothermalsynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W).....................................................155 9.1.2. Phasentransfersynthese von Bi2MO6 (M = Mo, W).................................................156 9.1.3. Synthese der Bismutmolybdate Bi4Ti3O12 und Bi2Ti2O7 .......................................156 9.1.4. Herstellung von Dünnschichten der Systeme Bi2MO6 (M = Mo, W), Bi4Ti3O12 und Sr0.75Ba0.25Nb2O6 .................159 9.2. Funktion der nanoskaligen Materialien ......................................................................164 9.2.1. Spark-Plasma-Sintern..............................................................................................164 9.2.2. Elektro-optische Eigenschaften von Dünnschichten und Kompositmaterialien .........................................................166 9.2.3. Messung der Dampfadsorption an Bi2MO6 (M = Mo, W)-Nanopartikeln mit Hilfe berührungsloser Detektion ...........174 9.3. Synthese von BiOH(C2O4), BiO(CH3COO) und Bi(CH3COO)3.....................................175 9.3.1. DTA-TG-Ergebnisse .................................................................................................175 9.3.2. Kristalldaten und Strukturverfeinerung ...................................................................177 9.4. Quelltexte ..................................................................................................................181 9.4.1. MATLAB-Skript zur Auswertung elektrooptischer Koeffizienten................................181 9.4.2. MATLAB-Skript zur Auswertung dampfadsorptiver Eigenschaften............................182