Η απορρύπανση των υδάτων αποτελεί αναγκαία και καθιερωμένη από δεκαετίες πρακτική. Η απορρύπανση με τη μέθοδο της ρόφησης είναι μία από την πληθώρα των τεχνικών που εφαρμόζονται. Το περισσότερο διαδεδομένο ροφητικό υλικό είναι ο ενεργός άνθρακας, του οποίου όμως το υψηλό κόστος παραγωγής, οδήγησε την επιστημονική έρευνα στην αναζήτηση εναλλακτικών, υλικών χαμηλότερου κόστους. Για το σκοπό αυτό, το επιστημονικό ενδιαφέρον έχει στραφεί σε πολλά υλικά κυρίως οργανικής προέλευσης, αλλά και σε ανόργανα υλικά, όπως τα οξείδια των μετάλλων, τα οποία αφθονούν στη φύση. Στην παρουσα εργασία έγινε μελέτη της ροφητικής ικανότητας φυσικών οξειδίων, για τη ρόφηση αρωματικών οργανικών ενώσεων και βαρέων μετάλλων. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε ο μηχανισμός της ρόφησης του φαινανθρενίου, της 2-ναφθόλης και του υδραργύρου από οξείδια αργιλίου, τιτανίου, αργιλίου/πυριτίου και σιδήρου, με σκοπό την αξιολόγηση των υλικών αυτών ως ροφητικών υλικών και τη σύγκριση των αποτελεσμάτων με αυτά της ρόφησης των αντίστοιχων ρύπων από υλικά που παρασκευάζονται από την πυρόλυση πρώτης ύλης βιολογικής προέλευσης. Για τη μελέτη της κινητικής της ρόφησης του φαινανθρενίου και της 2-ναφθόλης πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, σε θαλασσινό και γλυκό συνθετικό νερό, με διαφορετικές ποσότητες ροφητικού υλικού (χωρίς χημική επεξεργασία) και για διαφορετικό χρόνο επαφής. Από τα πειράματα αυτά μετρήθηκε η κινητική της ρόφησης καθώς και το ποσοστό απομάκρυνσης των ρύπων από το διάλυμα. Από τις μετρήσεις που έγιναν, προέκυψε ότι το ποσοστό απομάκρυνσης του φαινανθρενίου από το διάλυμα αυξάνεται αυξανομένης της ποσότητας του ροφητικού υλικού. Η σταθερά της ρόφησης Kd, κυμάνθηκε σε ένα εύρος τιμών από 1 έως 10 L/Kg, τιμές 2 έως 4 τάξεις μεγέθους μικρότερες από αυτές άλλων ροφητικών υλικών βιολογικής προέλευσης, ή προϊόντων πυρόλυσης. Τη μεγαλύτερη ικανότητα ρόφησης φαινανθρενίου επέδειξε η γ-αλούμινα με ειδική επιφάνεια 270 m2/g, με μέγιστη απομάκρυνση φαινανθρενίου το 55 % της αρχικής συγκέντρωσης έπειτα από 8 ημέρες, ενώ τη μικρότερη ικανότητα ρόφησης η γ-αλούμινα με ειδική επιφάνεια 120 m2/g, με μέγιστη απομάκρυνση το 14 % της αρχικής συγκέντρωσης, έπειτα από 10 ημέρες. Η τιτάνια, με ειδική επιφάνεια 120 m2/g, είχε ως αποτέλεσμα την απομάκρυνση του 52 % της αρχικής συγκέντρωσης φαινανθρενίου, σε 8 ημέρες. Από τα πειράματα ρόφησης της 2-ναφθόλης από την γ-αλούμινα, δεν προέκυψε μετρήσιμη ρόφηση. Η ρόφηση του υδραργύρου από την γ-αλούμινα (ειδική επιφάνεια 131 m2/g), και τα οξείδια σιδήρου μελετήθηκε με πειράματα στους 25 °C, σε pH 5 και με χρόνο εξισορρόπησης τις 24 h. Από τα πειράματα προέκυψε ισόθερμη καμπύλη και έγινε προσπάθεια προσαρμογής της σε μοντέλα ρόφησης. Παρατηρήθηκε αύξηση του ποσοστού απομάκρυνσης του υδραργύρου, με αύξηση της μάζας της γ-αλούμινας. Το μέγιστο ποσοστό απομάκρυνσης, ήταν το 93 % της αρχικής συγκέντρωσης και επιτεύχθηκε με μάζα γ-αλούμινας ίση και μεγαλύτερη από 1 g. Για τιμή Ce=15 mg/L, μετρήθηκε qe=0,91 mg/g, τιμή 1 έως 2 τάξεις μεγέθους μικρότερη από αυτές άλλων ροφητικών υλικών βιολογικής προέλευσης ή προϊόντων πυρόλυσης. Τα οξείδια σιδήρου, παρότι είχαν ειδική επιφάνεια 55 m²/g, δεν παρουσίασαν μετρήσιμη ροφητική ικανότητα για κανέναν από τους ρύπους, που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία. Συνοψίζοντας μπορούμε να πούμε ότι τα ανόργανα υλικά που μελετήθηκαν στην παρούσα εργασία, παρόλο που παρουσιάζουν μεγάλες τιμές ειδικής επιφάνειας, δεν μπορούν να χαρακτηρισθούν ως αξιόλογα ροφητικά υλικά, τόσο για τη ρόφηση των οργανικών ρύπων φαινανθρένιο και 2-ναφθόλη, όσο και για τη ρόφηση του υδραργύρου. / Water treatment is a necessary and standard practice since decades. Adsorption technology in water treatment is one of many techniques being used. Activated carbon is the most widely applied adsorbent in water treatment, however its high production cost has led scientific research to investigate alternative low cost sorbent materials. This need has developed scientific interest towards novel materials most of them derived from biomass, but also inorganic oxides that are abundant in nature. The present study focuses on the investigation of the capacity of natural oxides to adsorb aromatic organic compounds and heavy metals. Specifically, sorption of phenanthrene, 2-naphthol and mercury onto aluminum, titanium, silicon and ferric oxides was examined, for the evaluation of these materials as sorbents, compared to pyrolized biomaterials. For the study of sorption of phenanthrene and 2-naphthol, batch experiments were conducted at room temperature, using artificial seawater and fresh water, different mass of sorbent material at different contact time. Sorption kinetics and the pollutant removal percentages were determined. The proportion of phenanthrene removal increased with the increase of the mass of the sorbent material. Sorption distribution coefficient Kd ranged between 1 and 10 L/Kg. These values are 2 to 4 orders of magnitude lower than the respective values shown for biomaterials and for pyrolysis products, respectively. Maximum sorption capacity of phenanthrene (55 % proportion removal) was shown by γ-alumina, with a specific surface area equal to 270 m2/g, after 8 days. Minimum sorption capacity (14 % proportion removal) was shown by γ-alumina, with a specific surface area equal to 120 m2/g, after 10 days. Titania, with a specific surface area equal to 120 m2/g, adsorbed a proportion of 52 % of the initial concentration of phenanthrene, after 8 days. Sorption experiments of 2-naphthol from γ-alumina, did not show a measurable sorption. Sorption of mercury from γ-alumina and ferric oxides was studied, conducting batch experiments at 25 °C, pH 5, 24 h contact time. The experiments resulted to an isotherm curve that was evaluated using different sorption isotherm models. An increase of the proportion of mercury removal, with the increase of the mass of γ-alumina was observed. Maximum proportion of mercury removal (93% of the initial concentration) was observed with the addition of γ-alumina of 1 g or more. At Ce=15 mg/L, qe=0,91 mg/g was measured. This value is 1 to 2 orders of magnitude lower, than the respective values shown for biomaterials and for pyrolysis products, respectively. Even though ferric oxides’ specific surface area was estimated at 55 m²/g, they did not show a measurable sorption capacity for any of the pollutants tested in the present study. Even though the materials examined in the present study, were of large specific surface area, their sorptive properties shown, are not competitive with the respective properties of biomaterials. Thus, they cannot be considered as promising sorbents for the removal of phenanthrene, 2-naphthol, or mercury from water.

Recently, researchers on nanoparticles and nanostructures has received a great deal of attention not only in the area of synthesis and characterization but also in their potential application in various high-technological applications. Nanomaterials are widely used not only for environmental and biological applications but also for electronic and sensing applications. Among various classes of nanomaterials, the metal oxide nanostructures possess particular important because of their significant physical and chemical properties which allowed them to be used for the fabrication of highly efficient nanodevices. The metal oxide nanomaterials are widely used for catalysis, sensing, and electronic devices, and so on. Due to the high-efficient applications, researchers have developed several synthesis strategies to prepare metal oxide nanostructures with tailored geometry and utilize them for a variety of applications. However, it is still desirable to prepare metal oxide nanomaterials with environment-friendly precursors and processes with varied size and morphology for their effective utilization in specific applications. This thesis focuses on the synthesis, characterizations and specific applications of two undoped and doped metal oxide nanostructures, i.e. zinc oxide (ZnO) and iron oxide (α-Fe2O3). The thesis highlights the development of novel synthesis techniques/procedures which are rapid, consume less energy and time, and are less cumbersome, more economical, especially because of the low temperature process. The other aspect of the thesis is to use the as-synthesized nanomaterials for several important applications such as sensors, photovoltaic, and photocatalysis. The thesis is divided into several chapters. Chapter 1 starts with a brief introduction of the metal oxide nanostructures and their various synthetic methods. In addition to this, a short review on the targeted applications, i.e. sensing, photovoltaic and photocatalytic, of this thesis was also discussed in this chapter. Finally, the chapter describes the objective and importance of the thesis. Chapter 2 deals with the details of the synthesis and characterization techniques used in this thesis. Two specific techniques, i.e. hydrothermal and thermal evaporation, have been used for the synthesis of various undoped and doped nanomaterials explored in this thesis. The synthesized nanomaterials were examined by variety of techniques in terms of the morphological, structural, optical, compositional and electrical properties. Moreover the prepared nanomaterials together were used for various applications such as sensing, photovoltaic and photocatalytic applications. In a word, this chapter provides all the detailed procedures for the synthesis, characterizations and applications of targeted nanomaterials in this thesis. Chapter 3 describes the main results and discussion of the thesis. This chapter is divided into several sections and each section describes the synthesis, detailed characterizations and particular application of a single metal oxide nanomaterial. Section 1 describes the growth, characterization and ammonia chemical sensing applications of well-crystalline ZnO nanopencils grown via facile and simple hydrothermal process using commonly used laboratory chemicals. Importantly, the fabricated ammonia chemical sensor exhibited ultra-high sensitivity. Section 2 demonstrates the use of ZnO balls made of intermingled nanocrystalline nanosheets for photovoltaic device application. Successful growth, characterizations and phenyl hydrazine chemical sensing applications based on Ag-doped ZnO nanoflowers was demonstrated in section 3 of this chapter. Section 4 describes the Ce-doped ZnO nanorods for the detection of hazardous chemical; hydroquinone. Section 5 exemplifies the facile growth and detailed structural and optical characterizations of In-Doped ZnO hollow spheres composed of nanosheets networks and nanocones. Finally, section 6 illustrates the utilization of α-Fe2O3 hexagonal nanoparticles for environmental remediation and smart sensor applications. Moreover the synthesized α-Fe2O3 hexagonal nanoparticles were characterized in detail in terms of their morphological, structural, compositional and optical properties. Chapter 4 briefly highlights the overall conclusion and an outlook for further investigations suggested by the work undertaken here for this thesis. / Τα τελευταία χρόνια τα νανοσωματίδια και οι νανοδομές έχουν προσελκύσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των σημαντικών δυνατοτήτων που προσφέρουν για εφαρμογές υψηλής τεχνολογίας. Τα νανοϋλικά χρησιμοποιούντα ευρέως τόσο για περιβαλλοντικές και βιολογικές εφαρμογές όσο και για εφαρμογές στην ηλεκτρονική και τους αισθητήρες. Μεταξύ των διάφορων κατηγοριών νανοϋλικών, οι νανοδομές μεταλλικών οξειδίων παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω των φυσικών και χημικών ιδιοτήτων τους, που τους επιτρέπουν να χρησιμοποιούνται για την κατασκευή νανοσυσκευών υψηλής απόδοσης, με χαρακτηριστικά πεδία εφαρμογών την κατάλυση, την ηλεκτρονική και τους αισθητήρες. Για τους σκοπούς αυτούς, έχει αναπτυχθεί πληθώρα μεθόδων για την σύνθεση και προετοιμασία νανοδομών μεταλλικών οξειδίων με επιθυμητές γεωμετρίες, ώστε να είναι κατάλληλα για διαφορετικές εφαρμογές. Παρόλα αυτά, εξακολουθεί να υπάρχει έντονο ενδιαφέρον για την παραγωγή τέτοιων υλικών σε διάφορα μεγέθη και μορφολογίες, με περιβαλλοντικά φιλικές μεθόδους, με απώτερο σκοπό την χρησιμοποίησή τους σε συγκεκριμένες εφαρμογές. Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην σύνθεση, τον χαρακτηρισμό και τις εφαρμογές των νανοδομών δύο συγκεκριμένων μεταλλικών οξειδίων (ZnO και α-Fe2O3) με ή χωρίς προσμείξεις. Η διατριβή δίνει έμφαση σε νέες τεχνικές σύνθεσης, οι οποίες είναι γρήγορες, καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια και είναι πιο οικονομικές κυρίως λόγω χαμηλότερης θερμοκρασίας επεξεργασίας. Οι δομές των νανοϋλικών που προκύπτουν, χρησιμοποιούνται σε διάφορες σημαντικές εφαρμογές, όπως είναι οι αισθητήρες, τα φωτοβολταϊκά και η φωτοκατάλυση. Η διατριβή χωρίζεται σε 4 κεφάλαια. Στο κεφάλαιο 1 δίνεται μία σύντομη εισαγωγή στις νανοδομές των μεταλλικών οξειδίων και τις διάφορες μεθόδους σύνθεσης. Παρουσιάζονται συνοπτικά τα είδη των εφαρμογών τα οποία θα αποτελέσουν αντικείμενο μελέτης και τέλος περιγράφονται οι αντικειμενικοί στόχοι και η σημασία της διατριβής. Το κεφάλαιο 2 πραγματεύεται λεπτομερώς τις τεχνικές σύνθεσης και χαρακτηρισμού που υιοθετούνται στο μεγαλύτερο μέρος της μελέτης. Συγκεκριμένα, για την σύνθεση των νανοϋλικών (με ή χωρίς προσμίξεις) χρησιμοποιούνται οι τεχνικές της υδροθερμικής και της θερμικής εξάχνωσης. Τα παραγόμενα νανοϋλικά μελετήθηκαν ως προς την σύνθεσή τους, καθώς επίσης και τις μορφολογικές, δομικές, οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες. Στην συνέχεια, χρησιμοποιούνται για τα διάφορα είδη εφαρμογών που αναφέρθηκαν παραπάνω. Με άλλα λόγια, στο κεφάλαιο αυτό περιέχονται όλες οι λεπτομέρειες των διαδικασιών παραγωγής και των εφαρμογών. Το κεφάλαιο 3 περιλαμβάνει την παρουσίαση και συζήτηση των αποτελεσμάτων. Αποτελείται από διάφορες παραγράφους η κάθε μία εκ των οποίων περιγράφει την σύνθεση, τον χαρακτηρισμό και τις εφαρμογές ενός εκ των υλικών. Στην Παράγραφο 1 περιγράφονται η ανάπτυξη, ο χαρακτηρισμός των κρυσταλλικών ZnO νανομολυβδιών μέσω μίας απλής και εύκολης υδροθερμικής διαδικασίας, χρησιμοποιώντας συνηθισμένα εργαστηριακά υλικά, καθώς επίσης και η εφαρμογή τους ως χημικοί αισθητήρες αμμωνίας. Αξίζει να σημειωθεί ότι οι αισθητήρες που κατασκευάστηκαν επέδειξαν υπέρ-υψηλή ευαισθησία. Η παράγραφος 2 επιδεικνύει την χρήση ZnO σφαιρών που είναι κατασκευασμένες απο αναμιγμένα νανοκρυσταλλικά νανοφύλλα για φωτοβολταϊκές εφαρμογές. Η επιτυχής ανάπτυξη και χαρακτηρισμός ZnO νανολουλουδιών εμπλουτισμένα με Άργυρο καθώς επίσης και η χρήση τους σε εφαρμογές αισθητήρων φαινυλο-υδραζίνης παρουσιάζονται στην παράγραφο 3. Στην παράγραφο 4 περιγράφεται η χρήση ZnO νανοράβδων εμπλουτισμένων με Δημήτριο για την ανίχνευση της επικίνδυνης χημικής ουσίας υδροκινόνης. Στην Παράγραφο 5 παρουσιάζεται η ανάπτυξη και ο λεπτομερής δομικός και οπτικός χαρακτηρισμός κοίλων σφαιρών ZnO εμπλουτισμένων με Ίνδιο που αποτελούνται απο δίκτυα νανοφύλλων και νανοκώνους. Τέλος στην παράγραφο 6 περιγράφεται η χρήση εξαγωνικών νανοσωματιδίων α-Fe2O3 για περιβαλλοντική αποκατάσταση και εφαρμογές ευφυών αισθητήρων. Οι δομές αυτές χαρακτηρίστηκαν λεπτομερώς ως προς τη σύνθεση τις μορφολογικές, τις δομικές και τις οπτικές ιδιότητες. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται τα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής καθώς επίσης και προστάσεις για την περεταίρω διερεύνηση των υπό μελέτη συστημάτων.