Redox-Driven Processes for Environmental and Energy Applications

QC 2026-10-14

Abstract

Det ökande behovet av hållbara teknologier för att hanteramiljöföroreningar och energirelaterade utmaningar har intensifierat intresset förredoxdrivna processer. Att styra oxidations- och reduktionsreaktioner genomkatalysatordesign och kontroll av reaktionsmiljön är avgörande för att mötakritiska utmaningar kopplade till vattenföroreningar samt möjliggöra produktionav förnybara bränslen och kemikalier. Denna avhandling undersökerutvecklingen av elektrokemiska och fotokatalytiska system för vattenrening ochenergiproduktion, med särskilt fokus på katalysatordesign och ytmodifiering,reaktionsselektivitet samt mekanistisk förståelse.För vattenreningsapplikationer modifierades kolbaserade elektroder för attförbättra den elektrokemiska produktionen av kloroxyanjoner.Platinananopartiklar deponerades på kolelektroden med hjälp av polyolmetoden,medan fluoratomer introducerades genom elektrokemisk fluorering. Bådabehandlingarna förbättrade aktiviteten för klorutvecklingsreaktionen, vilketledde till högre kloratutbyten och strömeffektivitet samtidigt som cellspänningenminskade. Strategier för att undertrycka sidoreaktioner vid katoden undersöktesockså för att minimera användningen av farliga tillsatser såsom hexavalent krom.Dessutom utvärderades andra elektrokemiska system baserade på aktivt koltygför avlägsnande av per- och polyfluorerade alkylsubstanser (PFAS), vilket visadeden kombinerade betydelsen av elektrosorption och elektrooxidation förföroreningsborttagning. Parallellt utvecklades kvävedopat TiO₂ dekorerat med enkoboltbaserad Prussian Blue-analog för foto-Fenton-nedbrytning avmikroplaster. Denna katalysator främjade oxidativ nedbrytning under synligt ljus,vilket resulterade i oxidation, ytnedbrytning och fragmentering av mikroplaster,samtidigt som bildningen av järnslam – vanligt förekommande i konventionellaFenton-system – undveks.För energiproduktionsapplikationer studeras två huvudsakligaangreppssätt i denna avhandling. För det första undersöktes biomassaassisteradfotokatalytisk vätgasproduktion med hjälp av olika cellulosabaserade materialsom förbrukningsreagens för att förbättra laddningsseparation ochvätgasutveckling. Platinaladdning och systemets pH visade sig spela en avgöranderoll för systemets stabilitet genom att förhindra agglomerering avivförbrukningsreagensen och efterföljande utfällning. Därutöver studeradeselektrokemisk nitratreduktion som en hållbar väg för ammoniakproduktion ochnitratrening. Katalysatorer baserade på CuFe uppvisade förbättradnitratomvandling och ammoniakproduktion, medan användning av nickelskumsom substrat minskade bildningen av nitrit och energiförbrukningen. För attförbättra den övergripande stabiliteten hos membranfria enheter som arbetarunder neutrala förhållanden utvecklades anoder av koboltfosfid (CoP/Ti), vilkauppvisade stabil aktivitet för syrgasutvecklingsreaktionen och bidrog tillförbättrad total systemeffektivitet. Mekanistiska studier som kombinerade analysav fördeling av relaxationstider och beräkningar baserade pådensitetsfunktionalteori (DFT) visade de komplementära katalytiska rollerna hosCu, Fe och CoP under nitratreduktion och syrgasutveckling. Vidare uppvisadehierarkiska P(Ni,Co,Fe)-nanostrukturerade matriser utmärkt prestanda försyrgasutveckling i alkaliska medier tack vare deras stora elektrokemiskt aktivayta, förbättrade egenskaper för laddningsöverföring och ökade katalytiskastabilitet.Sammanfattningsvis visar resultaten att rationell katalysatordesign ochytmodifiering avsevärt kan förbättra prestandan hos redoxbaserade system.Denna forskning har lämnat ett betydande bidrag till utvecklingen av hållbaraprocesser för vattenrening, nedbrytning av föroreningar, produktion av förnybarabränslen samt elektrokemiska energikonverteringssystem.

Link to DiVA