In der vorliegenden Arbeit werden eine neue mikrowellenassistierte Darstellungsmethode für Bismutvanadatnanopartikel ebenso wie ein ultraschallgestütztes Sprühverfahren zur Abscheidung von Bismut(III)-oxidschichten beschrieben. Nanopartikuläres m-BiVO4 wird durch die Umsetzung von Bi(OtBu)3 mit VO(OtBu)3 unter Zugabe von polymersierbaren Alkoholen, nicht polymerisierbaren Alkoholen sowie ohne Zusätze in einer nichtwässrigen Lösung gefolgt von einer thermischen Oxidation erhalten. Anschließend werden die Nanopartikel hinsichtlich ihrer Eigenschaften verglichen. Ausgehend von einem polynuklearen Bismutoxidocluster wird über ultraschallgestütztes Kaltsprühen, einer sich anschließenden kontrollierten Hydrolyse und einer finalen thermischen Behandlung die Beschichtung verschiedener Substrate mit α-Bi2O3, β-Bi2O3 sowie α/β-Bi2O3 erreicht. Die Charakterisierung der synthetisierten Materialien erfolgt unter anderem mittels Pulverröntgendiffraktometrie, NMR-Spektroskopie, CHN-Analysen, UV/VIS-, IR- und Ramanspektroskopie, thermogravimetrischen Analysen sowie elektronenmikrospische Aufnahmen. Zusätzlich werden die Halbleiterschichten mit einer Wirbelstromsonde vermessen. Die bismuthaltigen Halbleitermaterialien sind im sichtbaren Lichtspektrum anregbar und weisen eine hohe photokatalytische Aktivität beim Abbau von Rhodamin B auf, wobei die zugrunde liegenden Abbaumechanismen UV/VIS-spektroskopisch aufgeklärt werden. Darüber hinaus werden die Photokatalysatoraktivitäten gegenüber wässrigen Lösungen von Methylorange, Orange G, Methylenblau sowie Schadstofflösungen des Biozids Triclosan und des pharmazeutischen Wirkstoffs Ethinylestradiol diskutiert, deren photokatalytische Zersetzung ergänzend mit TOC-Analysen verfolgt wird.:Abkürzungsverzeichnis.....11
1 Einleitung und Motivation.....15
2 Grundlagen der Photokatalyse.....21
2.1 Photokatalyse mit Halbleitern.....21
2.1.1 Definition und Unterteilung von Photokatalysatoren.....21
2.1.2 Funktionsweise, Eigenschaften und weitere Anwendungsfelder von
Halbleiterphotokatalysatoren.....22
2.1.3 Cokatalysatoren in der Photokatalyse.....26
2.1.4 Photokatalysatoren mit Heteroübergang.....28
2.2 Photokatalytischer Abbau von organischen Substanzen.....29
2.2.1 Grundlagen zu Reaktionspfaden und aktiven Spezies.....29
2.2.2 Mechanismen und Kinetik der photokatalytischen Zersetzung am Beispiel von
Rhodamin B.....32
2.3 Bismutvanadat als Photokatalysator.....38
2.4 Bismut(III)-oxid als Photokatalysator.....41
3 Photokatalytische Untersuchungen an Bismutvanadatnanopartikeln aus
mikrowellenassistierten Synthesen.....47
3.1 Synthesemethoden für Metalloxidnanostrukturen und Voruntersuchungen zur
nichtwässrigen Darstellung von nanoskaligem Bismutvanadat.....47
3.2 Darstellung von Bismutvanadatnanopartikeln über die Umsetzung von Bismut(III)-alkoxiden und Vanadium(V)-alkoxiden im Mikrowellenreaktor.....53
3.2.1 Umsetzung von Bismut(III)-alkoxiden und Vanadium(V)-alkoxiden im
Mikrowellenreaktor.....53
3.2.2 Darstellung von Bismutvanadatnanopartikeln durch thermische Oxidation der
Materialien MW-II – MW-V.....57
3.3 Photokatalytische Untersuchungen an monoklinen Bismutvanadatnanopartikeln .....61
3.3.1 Untersuchungen zu den photoinduzierten Abbaumechanismen von Rhodamin B mit Bismutvanadatnanopartikeln.....61
3.3.2 Vergleich der photokatalytischen Aktivität von BiVO4-II – BiVO4-V und
photokatalytische Untersuchungen zum Abbau weiterer Farbstoffe.....65
4 Photokatalytische Untersuchungen an Bismut(III)-oxidschichten aus einem
ultraschallgestützten Sprühverfahren.....72
4.1 Darstellungsmethoden für β-Bismut(III)-oxidschichten.....72
4.2 Darstellung, Modifizierung und photokatalytische Untersuchungen von α- und β-
Bismut(III)-oxidschichten aus einem ultraschallgestützten Sprühverfahren.....76
4.2.1 Darstellung von α- und β-Bismut(III)-oxidschichten über ein ultraschallgestütztes Sprühverfahren ausgehend von [Bi38O45(OMc)24(DMSO)9]·2DMSO·7H2O und deren photokatalytische Untersuchung.....76
4.2.2 Modifizierung der Präparationsmethode und die photokatalytische Zersetzung
von Schadstoffen mit optimierten β-Bismut(III)-oxidschichten.....84
4.2.3 Darstellung von Au/β-Bismut(III)-oxidschichten und deren photokatalytische
Untersuchung.....94
4.3 Darstellung und photokatalytische Untersuchungen von α/β-Bismut(III)-
oxidschichten aus einem ultraschallgestützten Sprühverfahren.....99
4.3.1 Darstellung von α/β-Bismut(III)-oxidschichten über ein ultraschallgestütztes
Sprühverfahren ausgehend von [Bi38O45(OMc)24(DMSO)9]·2DMSO·7H2O.....99
4.3.2 Photokatalytische Untersuchungen an α/β-Bismut(III)-oxidschichten.....104
5 Zusammenfassung und Ausblick.....108
6 Experimenteller Teil.....116
6.1 Eingesetzte Chemikalien und Arbeitstechniken.....116
6.2 Verwendete Gerätetechnik.....116
6.3 Umsetzungen von Alkoxiden und Chloriden des Bismut(III) und Vanadium(V) mit
und ohne Zusatz von Alkoholen.....122
6.3.1 Umsetzung von Bi(OtBu)3 und VO(OtBu)3 in Benzylalkohol unter Rückfluss (RF-I).....122
6.3.2 Umsetzung von BiCl3 und VOCl3 in Benzylalkohol unter Rückfluss (RF-II)..123
6.3.3 Umsetzung von Bi(OtBu)3 und VO(OtBu)3 in Benzylalkohol im Mikrowellenreaktor (MW-I).....123
6.3.4 Umsetzung von Bi(OtBu)3, VO(OtBu)3 und 2-Methoxybenzylalkohol im
Mikrowellenreaktor (MW-II).....123
6.3.5 Umsetzung von Bi(OtBu)3, VO(OtBu)3 und 2,4-Dimethoxybenzylalkohol im
Mikrowellenreaktor (MW-III).....124
6.3.6 Umsetzung von Bi(OtBu)3, VO(OtBu)3 und 2-(Thiophen-2-yl)propan-2-ol im
Mikrowellenreaktor (MW-IV).....124
6.3.7 Umsetzung von Bi(OtBu)3 und VO(OtBu)3 im Mikrowellenreaktor (MW-V)...125
6.4 Darstellung von BiVO4 durch thermische Oxidation der Materialien MW-II –
MW-V.....125
6.5 Darstellung der Bismut(III)-oxidschichten über ein ultraschallgestütztes
Sprühverfahren.....126
6.5.1 β-Bi2O3-Schichten ausgehend von [Bi38O45(OMc)24(DMSO)9]·2DMSO·7H2O.....126
6.5.2 α-Bi2O3-Schichten ausgehend von [Bi38O45(OMc)24(DMSO)9]·2DMSO·7H2O.....127
6.5.3 Au/β-Bi2O3-Schichten ausgehend von β-Bi2O3-Schichten mittels Photodeposition.....127
6.5.4 α/β-Bi2O3-Schichten ausgehend von [Bi38O45(OMc)24(DMSO)9]·2DMSO·7H2O.....128
6.6 Photokatalytische Untersuchungen.....128
7 Literaturverzeichnis.....131
8 Anhang.....159
Curriculum Vitae.....177
Publikationsverzeichnis.....178
Tagungsbeiträge.....179
Selbstständigkeitserklärung.....181
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:75434 |
| Date | 03 August 2021 |
| Creators | Hofmann, Max |
| Contributors | Mehring, Michael, Armbrüster, Marc, Technische Universität Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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