Ковінчук І. В. Композити оксидів та оксидгідроксидів мангану з галуазитом як фотокаталізатори деградації

English version

Дисертація на здобуття ступеня доктора філософії

Державний реєстраційний номер

0825U002074

Облікова картка дисертації

0825U002074.pdf

Здобувач

Спеціальність

  • 161 - Хімічні технології та інженерія

Спеціалізована вчена рада

PhD 9307

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського"

Анотація

Дисертація присвячена дослідженню впливу умов синтезу, фазового складу та структури на функціональність композитів на основі оксидів та оксигідроксидів марганцю для фотокаталітичного розкладу модельних органічних забрудників: водних розчинів барвників та поліетиленових плівок під дією УФ- та видимого світла. Розглянуто взаємозв’язок між параметрами синтезу, фазовим складом, морфологією, шириною забороненої зони та питомою площею поверхні отриманих матеріалів із їх фотокаталітичною ефективністю. Окрему увагу приділено ролі галуазитних нанотрубок у модифікації фізико-хімічних властивостей і активності композитів. Фотокаталітичний розклад поліетилену із застосуванням MnO₂, TiO₂ та їх механічної суміші показав найвищу ефективність для суміші MnO₂/TiO₂ (втрата маси плівки 21,3 % після 90 год опромінення), що зумовлено синергетичним ефектом. За результатами ІЧ-спектроскопії встановлено активне утворення функціональних груп, що свідчить про інтенсифікацію процесу окиснення. Методом хімічного осадження з розчину MnSO₄ та H₂O₂ синтезовано композити з різновалентними формами марганцю (+2–+4). Визначено, що рН середовища та наявність NH₄⁺ є ключовими факторами фазоутворення: при pH = 10 утворюються Mn₃O₄ і Mn₂O₃ (у присутності та відсутності NH₄⁺ відповідно), а при pH = 5–7 — γ- та α-MnOOH. За результатами TEM встановлено, що в присутності NH₄⁺ спостерігається затемнення просвіту галоузитних нанотрубок, що може свідчити про їх заповнення оксидами марганцю, тоді як без NH₄⁺ оксиди локалізуються на зовнішній поверхні. Питома площа поверхні композитів у 3–3,5 раза перевищує значення для стандартного MnO₂. Ширина забороненої зони становила 2,28–2,38 еВ для зразків CS-5–CS-9 і 2,52–2,7 еВ для низьковалентних CS-1 та CS-2, що вказує на активність у видимому діапазоні. Середній розмір агрегатів — 117–175 нм, наночастинок — 7–12 нм. Методом електроосадження синтезовано серію зразків із розширеним діапазоном фазових станів. Показано, що NH₄⁺ стабілізує утворення α- та δ-MnO₂ (голандит і бірнессит), тоді як їх відсутність сприяє формуванню γ- та ε-MnO₂. Найбільшу питому поверхню (215 м²/г) зафіксовано для зразка ED-12 з переважанням голандиту. SEM підтвердив морфологію: пластинчасту для γ-/ε-MnO₂ (70 ± 15 нм) і голчасту для α-MnO₂. Визначено, що зразки є напівпровідниками з Eg = 2,16–2,36 еВ; легування Cr³⁺ зменшує Eg на 0,3–0,5 еВ. Розраховано положення зон провідності та валентності; для ED-6 (Eg = 3,36 еВ) встановлено потенціал для використання для фотокаталітичного розщеплення води. Застосовано термогравіметричний аналіз у поєднанні з мас-спектрометрією для ідентифікації продуктів розкладу та температур їх вивільнення. Отримані дані дозволили оцінити рівень дефектів кристалічної ґратки за моделлю вакантностей Руецші. Для γ-MnO₂ (ED-6) та α-MnO₂ (ED-8) встановлено однакову кількість вакансій, однак ED-8 характеризується удвічі вищим вмістом Mn³⁺. Фотокаталітична активність щодо деградації метиленового синього найвища у CS-1 та CS-2, ймовірно, завдяки наявності негативно зарядженої поверхні галуазиту, що полегшує транспорт барвника. Для конго червоного найбільшу ефективність продемонстрував CS-8 (α-MnOOH та γ/β-MnO₂, Eg = 1,99 еВ). Діаграми структури зон провідності підтверджують сприятливе узгодження рівнів енергії з LUMO MB у CS-1 і CS-2, а також з HOMO CR у CS-8, що забезпечує ефективний переніс електронів або дірок. Розроблено метод нанесення композитів на поверхню поліетилену шляхом часткового розчинення поверхні плівки. Введення 2,59 % галуазиту досягнуто шляхом занурення плівки в суспензію при 50 °C на 120 с; при 60 °C на 60 с — 2,51 %. Більше осідання на поверхні спостерігається при нижчій температурі. Також створено клейову композицію на основі полівінілпіролідону з пластифікатором (поліетиленгліколь) у співвідношенні 7:1. Визначено оптимальні пропорції розчинника: для розпилення — 1:18, для нанесення губкою — 1:15. Методом оптичної мікроскопії підтверджено рівномірний розподіл наноматеріалу. Розроблено блок-схему хімічного синтезу композиту, оцінено матеріальний баланс та теплоту утворення 1 кг зразка.

Читати повністю

Публікації

Kovinchuk, I., Haiuk, N., Lazzara, G., Cavallaro, G., & Sokolskyi, G. Enhanced photocatalytic degradation of PE film by anatase/γ-MnO2 //Polymer Degradation and Stability, 2023, Vol 210, 110295.

Kovinchuk, I., Sokolsky, G., Lazzara, G. Single-stage and simplefabrication of PE films decorated with halloysite nanotubes // KPI Science News, 2023, Vol 136(1–4), 93–98.

Kovinchuk, I. V., Lazzara, G., Ragulya, А.V., Kržmanc, M. M., & Sokolsky, G. V. Evaluation of nanoparticles’ size characteristics of manganese oxide/hydroxide based photocatalysts // Visnyk of Kherson National Technical University, 2024, 4(91), 52–59.

Sokolsky G.V., Ivanova N.D., Zudina L.V., Gayuk N.V., Kovinchuk I.V. Electrolytic doping and implementation of a bifunctional electrochemical system // Collective monograph of 9th Ukrainian Congress of Electrochemistry Achievements Problems and Prospects, 2021, P. 56-57.

Sokolsky G., Paineau E., Zahornyi M., Gayuk N., Ragulya A., Kovinchuk I. INTs/MnO2/TiO2/PANI composites:toward new applications and enforced functionality //Proceedings of IEEE 11th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), 2021, P. NSS-A-03.

Kovinchuk I., Lazzara G., Cavallaro G., Sokolsky G. MnO2/TiO2 Nanopowders-Assisted Photocatalytic Degradation of Low-Density Polyethylene Films// Proceedings of IEEE 12th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties, 2022 P. 10nee–27.

Sokolsky G.V., Kovinchuk I.V., Ragulya A.V., Spreitzer M., Kržmanc M.M. Electrodeposition of nanodispersed α/δ- & γ/α-manganese dioxide composites for visible light photocatalytic applications // Collective monograph of 10th Ukrainian Congress of Electrochemistry Achievements Problems and Prospects, 2, 2024, P. 32-36.

Гаюк, Н. В., Сокольський, Г. В., Свинцова, А. В., Ковінчук, І. В. Фотокаталітична деструкція поліетиленових плівок діоксидами титану і мангану. Матеріали XV Міжнародної науково-технічної конференції “АВІА-2021”, м. Київ, 2021, с. 19.1-19.4.

Сокольський, Г.В., Чигиринець, О.Е., Гаюк, Н.В., Ковінчук, І.В., Мельник, А.В. Діоксид титану: фототоксичність та шляхи її подолання для косметичних астосувань. International Scientific Online Conference «Modern Advances in Organic Synthesis, Polymer Chemistry and Food Additives», м. Львів (Україна), 2021, с. 40.

Гаюк, Н.В., Дмітрієва, Є., Ковінчук, І.В., Сокольський, Г.В. Твердофазна фотокаталітична деструкція поліетиленових плівок оксидними матеріалами мангану та титану. Current problems of chemistry, materials science and ecology, Луцьк (Україна), 2021, с. 119–122.

Ковінчук І.В., Сокольський Г.В., Гаюк Н.В. Визначення середнього діаметру наностриженів Манган (IV) оксиду різного походження в програмному середовищі ImagJ та SciDAVi. Матеріали школи-конференції молодих вчених Сучасне матеріалознавство : фізика, хімія, технології. м. Ужгород, (Україна), 2021, С. 245–246.

Kovinchuk I., Haiuk N., Cavallaro G., Lazzara G., Sokolsky G. Thermogravimetric study of PE films containing TiO2, MnO2 photocatalysts, and their composites. Book of abstracts of the 13 European Symposium on Thermal Analysis and Calorimetry. Palermo, (Italy), 2022, P. 214.

Svintsova A.V., Sokolsky G.V., Hlukhova P.I., Kovinchuk I.V., Lazzara G., Sokolsky G. Encapsulated by Ascorbic Acid Halloysite Nanotubes combined with Rutile Nanoparticles for Cosmetic Applications. Book of abstracts of the Ukrainian conference with international participation “Chemistry, physics and technology of surface”. Kyiv, (Ukraine), 2022, P. 78.

Ковінчук, І., Глухова, П., Сокольський, Г. Оцінка можливості використання оксидних фотокаталітичних систем для післявоєнного відновлення територій. Матеріали конференції Синергія науки і бізнесу у повоєнному відновленні Херсонщини. м. Одеса, (Україна), 2023, С. 391–395.

Kovinchuk I., Sokolsky G., Lazzara G. Single stage and simple fabrication of PE films Impregnated with halloysite nanotubes. Book of abstracts. International Conference on Chemistry, Chemical Technology and Ecology. Kyiv, (Ukraine), 2023, P. 60–61.

Глухова, П. І., Ковінчук, І. В., Лаззара, Дж., & Сокольський, Г. В. Фотокаталітичні властивості композитів оксидів-гідроксидів мангану з галуазитом, синтезованих гідрохімічним методом. Збірка тез доповідей. Міжнародна конференція з хімії, хімічної технології та екології, присвяченій 125-річчю КПІ ім. Ігоря Сікорського, м. Київ, 2023, 14–16.

Sokolsky G., Kovinchuk I., Lazzara G., ZudinaL., Hluhova P., Andriiko O. Comparison of chemical and electrodeposition pathways of manganese dioxide from NH4+-containing electrolytes. Book of abstracts. International Conference on Chemistry, Chemical Technology and Ecology. Kyiv, (Ukraine), 2023, P. 87–88.

Kovinchuk I.V., Hluhova P.I., Telina M.M., Khrebtan D.R., Vechirko E.R., Lazzara G., Sokolsky G.V. Halloysite nanotubes as components of nanocomposites with Mn oxides/hydroxides. Book of abstracts. 12th International Conference "Nanotechnologies and Nanomaterials" NANO-2024. Uzhgorod, (Ukraine), 2024, P. 77.

Kovinchuk I., Hluhova P., Lazzara G., Sokolsky G. Enhanced Photocatalytic Methylene Blue Degradation by Mn3O4/HNT-based composite material. Book of abstracts. XXVIII Congresso Nazionale della Società Chimica Italiana. Milan, (Italy), 2024, P. FIS-PO-005.

Читати повністю

Файли

autoreferat-анотація_КовінчукIB.docx

дисертація_Ковінчук.pdf

Схожі дисертації

0825U001910

Булгаков Євгеній Сергійович

Технології виробництва композиційних волокнистих матеріалів спеціального призначення

0825U001808

Якименко Ольга Сергіївна

Розробка технологій одержання із недеревної рослинної сировини наноцелюлози та її використання у виробництві паперу і картону

0825U001798

Лісовий Вадим Миколайович

Розроблення полімерної твердої дисперсної системи фармацевтичного призначення з використанням метода відцентрового формування

0825U001577

Покроєва Яна Олександрівна

Поліфазні склокристалічні покриття з регульованими властивостями для керамічної плитки

0825U001253

Лігезін Станіслав Леонідович

Стінові керамічні матеріали з використанням вуглецевмісної сировини та енергозберігаючих технологічних процесів