Materiały na bazie $CaTiO_{3}$ - $SrTiO_{3}$ domieszkowane Co i/lub Fe i ich potencjał aplikacyjny

Abstract

Współczesne wyzwania związane z rosnącym zapotrzebowaniem na energię oraz koniecznością ograniczania emisji zanieczyszczeń wymagają poszukiwania nowych materiałów funkcjonalnych mogących zastąpić katalizatory oparte na metalach szlachetnych. Szczególną uwagę zwraca się na materiały perowskitowe o wzorze ogólnym ABO3, których właściwości mogą być modyfikowane poprzez wprowadzanie domieszek jonów metali przejściowych oraz generowanie defektów w podsieci tlenowej. W niniejszej pracy badano układ $CaTiO_{3}$ - $SrTiO_{3}$, w którym zmiana stosunku kationów w podsieci A wpływa na symetrię struktury oraz możliwość wprowadzania domieszek w podsieć B. Jako domieszki wybrano kobalt i żelazo ze względu na zdolność do występowania na różnych stopniach utlenienia oraz łatwość wymiany elektronów, a także ich niski koszt i dostępność w porównaniu z metalami szlachetnymi. Strukturę i mikrostrukturę materiałów analizowano metodami SEM, XRD, XAS oraz TPR, natomiast powierzchnię właściwą określono metodą BET. Właściwości funkcjonalne oceniono na podstawie pomiarów przewodnictwa elektrycznego (DC) oraz testów katalitycznych obejmujących utlenianie metanolu reakcje $SCR-NH_{3}$, $SCO-NH_{3}$, $DeNH_{3}$, redukcję chloranów oraz fotokatalityczny rozkład błękitu metylenowego. Uzyskane wyniki potwierdziły istotną rolę stosunku ilości jonów $Ca^{2+}/Sr^{2+}$ oraz obecności jonów kobaltu i żelaza w kształtowaniu struktury, form występowania domieszek i właściwości funkcjonalnych materiałów, wskazując na potencjał układu $CaTiO_{3}$ - $SrTiO_{3}$ w projektowaniu materiałów perowskitowych do zastosowań katalitycznych i elektrochemicznych.

The growing global demand for energy and the need to mitigate industrial emissions call for the development of new functional materials capable of replacing conventional noble metal-based catalysts. Particular attention is directed toward perovskite-type materials with the general formula ABO3, whose properties can be modified by introducing transition metal dopants and by generating defects in the oxygen sublattice. This work focuses on the $CaTiO_{3}$ - $SrTiO_{3}$ system, in which changes in the A-site cation ratio influence the symmetry of the structure and the possibility of introducing dopants into the B sublattice. Cobalt and iron were selected as dopants due to their ability to exist in various oxidation states and possibility of ease electron exchange, as well as their lower cost and higher availability compared to noble metals. The structure and microstructure of the materials were analyzed using SEM, XRD, XAS, and TPR methods, whereas the specific surface area was determined by the BET method. Functional properties were evaluated on the basis of electrical conductivity measurements (DC) and catalytic tests including methanol oxidation, $SCR-NH_{3}$, $SCO-NH_{3}$, $DeNH_{3}$, chlorate reduction, and photocatalytic degradation of methylene blue. The obtained results confirmed the significant role of the $Ca^{2+}/Sr^{2+}$ ion ratio and the presence of cobalt and iron ions in determining the structure, dopant distribution, and functional properties of the materials, indicating the potential of the $CaTiO_{3}$ - $SrTiO_{3}$ system for designing perovskite materials for catalytic and electrochemical applications.