Composition control of laser generated bimetallic nanoparticles usable as catalysts
Loading...
Date
2025-10-17T00:00:00Z
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Tato disertační práce se zabývá syntézou a strukturálním laděním nanoslitin metodou reaktivní laserové ablace v kapalinách (RLAL), se zaměřením na jejich využití jako heterogenních katalyzátorů v environmentálně kritických reakcích. Teoretické kapitoly poskytují stručný přehled o laserové syntéze a nanokatalýze, se zdůrazněním rostoucího významu bimetalických nanoslitin.
Jednou z hlavních výzev pro využití katalytického potenciálu nanoslitin je dosažení kontroly nad jejich strukturou na nanometrické úrovni. Tradiční metody chemické syntézy obvykle vedou k termodynamicky vyrovnaným konfiguracím, což omezuje přístup ke kineticky uvězněným nebo metastabilním uspořádáním, která často vykazují lepší katalytický výkon. V tomto kontextu představují laserové syntézní metody, jako RLAL, atraktivní alternativu. Přes své výhody však metoda RLAL zůstává omezená ve schopnosti manipulovat s konkrétním uspořádáním ve vícesložkových kovových systémech.
Tato disertační práce se snaží překonat uvedená omezení rozvojem metody RLAL tak, aby umožnila lepší strukturální kontrolu s cílem přizpůsobit katalytickou aktivitu a opakovatelné použití nanoslitin pro udržitelné aplikace. Experimentální část zahrnuje kurátorsky sestavenou sbírku recenzovaných studií, které se kolektivně věnují návrhu, syntéze a využití laserem generovaných nanoslitin v redoxních reakcích souvisejících s čištěním vody a zelenou chemií. Jádrem tohoto výzkumu je strategická integrace RLAL s moderními metodami čištění vody za účelem vytvoření multifunkčních katalytických systémů. Ekologická atraktivita těchto systémů spočívá v minimálním použití nebezpečných chemikálií, snížené tvorbě sekundárního odpadu a potenciálu pro recyklaci v uzavřeném cyklu. Jsou prozkoumány tři strategie čištění vody:
(I) Hybridní fyzikálně-chemická strategie čištění kombinující mikrofiltraci a katalytickou degradaci pomocí nanoslitin vázaných na membráně pro odstranění ropných a hydrofobních znečišťujících látek,
(II) Chemicky založená fotokatalytická strategie využívající magneticky oddělitelné nanoslitiny pro degradaci antibiotických kontaminantů poháněnou viditelným světlem,
(III) Chemicky založená termoreduktivní strategie využívající magnetické nanoslitiny k přeměně nitroaromatických znečišťujících látek na chemické meziprodukty s přidanou hodnotou.
První přístup se zaměřuje na krizi způsobenou znečištěním vody olejovými látkami. Společným použitím RLAL a elektrostatického zvlákňování je vyvinuta udržitelná metoda výroby membrán z polyvinylidendifluoridu (PVDF) s nanoslitinami TiAg ve formě satelitních struktur.
Na základě těchto poznatků se disertace přesouvá ke druhé strategii, která reaguje na narůstající hrozbu antibiotické rezistence prostřednictvím katalytické degradace sulfamethoxazolu (SMX), farmaceutického kontaminantu. Za tímto účelem jsou vyvinuty nanoslitiny na bázi bismutu s fotokatalytickou aktivitou ve viditelném světle. Výzkum ukazuje, že i drobné změny ve volbě druhého dopujícího kovu (Ni vs. Fe) mohou vest k výrazným rozdílům ve struktuře, složení a katalytickém výkonu nanoslitin. Obzvláště se vyznačují systémy Bi-Fe, které dosahují výjimečné účinnosti degradace SMX.
Disertační práce dále zkoumá redukci průmyslově vyráběných nitroaromatických znečisťujících látek za použití magneticky recyklovatelných nanoslitin NiPd. Přídavkem Pd je možné upravit distribuci a mezifázovou strukturu fází NiPd tak, aby bylo dosaženo rovnováhy mezi vysokou katalytickou účinností a vhodnou magnetickou mobilitou. Výzkum ukazuje, že struktury s fázovým oddělením v podobě vnořených nanosfér, vykazují silné synergické efekty a překonávají jak jednokovové částice, tak jejich fyzikální směsi v hydrogenačních reakcích.
Výzkum prezentovaný v této disertační práci rozšiřuje chápání RLAL jako nástroje pro návrh katalyticky aktivních nanoslitin. Spojením inovací v oblasti syntézy s environmentálními aplikacemi vytváří rámec pro navrhování katalyzátorů v souladu se zásadami zelené a cirkulární chemie.
This dissertation investigates the synthesis and structural tuning of nanoalloys by Reactive Laser Ablation in Liquids (RLAL), with a focus on their employment as heterogeneous catalysts in environmentally critical reactions. The theoretical chapters provide a brief review of laser synthesis and nanocatalysis, emphasizing the emerging significance of bimetallic nanoalloys. A key challenge in unleashing the catalytic potential of nanoalloys lies in achieving control over their nanoscale structure. Traditional chemical synthesis methods typically yield thermodynamically equilibrated configurations, limiting access to kinetically trapped or metastable arrangements that often exhibit superior catalytic performance. In this context, laser synthesis methods, like RLAL, present a compelling alternative. However, despite the advantages, RLAL remain constrained in its ability to direct specific structural arrangements within multimetallic systems. This dissertation seeks to overcome such limitations by advancing RLAL to achieve enhanced structural control, with the goal of tailoring the catalytic activity and reusability of nanoalloys for sustainable applications. The experimental section comprises a curated collection of peer-reviewed studies that collectively explore the design, synthesis, and implementation of laser-generated nanoalloys in redox reactions relevant to water purification and green chemistry. The core of this research is the strategic integration of RLAL with/in state-of-the-art water purification approaches to yield multifunctional catalytic systems. The environmental appeal of these systems lies in their minimal use of hazardous chemicals, reduced generation of secondary waste, and potential for closed-loop recyclability. Three water purification strategies are explored: (I) Hybrid physico-chemical purification strategy combining microfiltration and catalytic degradation by membrane-supported nanoalloys for oil and hydrophobic pollutant removal, (II) Chemical-based photocatalytic strategy employing magnetically separable nanoalloys for the visible-light-driven degradation of antibiotic contaminants, (III) Chemical-based thermoreductive strategy using magnetic nanoalloys to convert nitroaromatic pollutants and compounds into value-added chemical intermediates. The first approach addresses the acute global water crisis driven by oil-derived pollution. By coupling RLAL with electrospinning, a sustainable method is developed to produce polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes embedded with satellite-like TiAg nanoalloys. Building on these insights, the thesis shifts to the second strategy, tackling the escalating threat of antibiotic resistance through the catalytic degradation of sulfamethoxazole (SMX), a pharmaceutical contaminant. To this end, Bi-nanoalloys with visible-light-driven photocatalytic activity are developed. The research demonstrates that minor variations in the selection of co-metal, Ni versus Fe, lead to significant differences in nanoalloy morphology, composition, and catalytic performance. Notably, Bi-Fe systems stand out, achieving exceptional SMX degradation efficiency. The dissertation explores the reduction of nitroaromatics, industrially produced compounds ending up in the water systems, using magnetically recyclable NiPd nanoalloys. Through Pd doping, the distribution and interfacial structure of NiPd phases are tuned to harmonize high catalytic efficiency with suitable magnetic mobility. The research reveals that nested phase-segregated structures exhibit strong synergistic effects, outperforming monometallic analogues and physical mixtures in hydrogenation reactions. The research presented in this dissertation advances the understanding of RLAL as a tool for engineering catalytically active nanoalloys. By bridging synthesis innovation with environmental applications, it establishes a framework for designing catalysts that align with the principles of green and circular chemistry.
This dissertation investigates the synthesis and structural tuning of nanoalloys by Reactive Laser Ablation in Liquids (RLAL), with a focus on their employment as heterogeneous catalysts in environmentally critical reactions. The theoretical chapters provide a brief review of laser synthesis and nanocatalysis, emphasizing the emerging significance of bimetallic nanoalloys. A key challenge in unleashing the catalytic potential of nanoalloys lies in achieving control over their nanoscale structure. Traditional chemical synthesis methods typically yield thermodynamically equilibrated configurations, limiting access to kinetically trapped or metastable arrangements that often exhibit superior catalytic performance. In this context, laser synthesis methods, like RLAL, present a compelling alternative. However, despite the advantages, RLAL remain constrained in its ability to direct specific structural arrangements within multimetallic systems. This dissertation seeks to overcome such limitations by advancing RLAL to achieve enhanced structural control, with the goal of tailoring the catalytic activity and reusability of nanoalloys for sustainable applications. The experimental section comprises a curated collection of peer-reviewed studies that collectively explore the design, synthesis, and implementation of laser-generated nanoalloys in redox reactions relevant to water purification and green chemistry. The core of this research is the strategic integration of RLAL with/in state-of-the-art water purification approaches to yield multifunctional catalytic systems. The environmental appeal of these systems lies in their minimal use of hazardous chemicals, reduced generation of secondary waste, and potential for closed-loop recyclability. Three water purification strategies are explored: (I) Hybrid physico-chemical purification strategy combining microfiltration and catalytic degradation by membrane-supported nanoalloys for oil and hydrophobic pollutant removal, (II) Chemical-based photocatalytic strategy employing magnetically separable nanoalloys for the visible-light-driven degradation of antibiotic contaminants, (III) Chemical-based thermoreductive strategy using magnetic nanoalloys to convert nitroaromatic pollutants and compounds into value-added chemical intermediates. The first approach addresses the acute global water crisis driven by oil-derived pollution. By coupling RLAL with electrospinning, a sustainable method is developed to produce polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes embedded with satellite-like TiAg nanoalloys. Building on these insights, the thesis shifts to the second strategy, tackling the escalating threat of antibiotic resistance through the catalytic degradation of sulfamethoxazole (SMX), a pharmaceutical contaminant. To this end, Bi-nanoalloys with visible-light-driven photocatalytic activity are developed. The research demonstrates that minor variations in the selection of co-metal, Ni versus Fe, lead to significant differences in nanoalloy morphology, composition, and catalytic performance. Notably, Bi-Fe systems stand out, achieving exceptional SMX degradation efficiency. The dissertation explores the reduction of nitroaromatics, industrially produced compounds ending up in the water systems, using magnetically recyclable NiPd nanoalloys. Through Pd doping, the distribution and interfacial structure of NiPd phases are tuned to harmonize high catalytic efficiency with suitable magnetic mobility. The research reveals that nested phase-segregated structures exhibit strong synergistic effects, outperforming monometallic analogues and physical mixtures in hydrogenation reactions. The research presented in this dissertation advances the understanding of RLAL as a tool for engineering catalytically active nanoalloys. By bridging synthesis innovation with environmental applications, it establishes a framework for designing catalysts that align with the principles of green and circular chemistry.
Description
Subject(s)
bimetalické nanočástice, heterogenní katalýza, hydrogenační
reakce, reaktivní laserová ablace