Abstract: To broaden the activity window of TiO2, a broadband plasmonic photocatalyst has been designed and optimized. This plasmonic ‘rainbow’ photocatalyst consists of TiO2 modified with gold–silver composite nanoparticles of various sizes and compositions, thus inducing a broadband interaction with polychromatic solar light. However, these nanoparticles are inherently unstable, especially due to the use of silver. Hence, in this study the application of the layer-by-layer technique is introduced to create a protective polymer shell around the metal cores with a very high degree of control. Various TiO2 species (pure anatase, PC500, and P25) were loaded with different plasmonic metal loadings (0–2 wt %) in order to identify the most solar active composite materials. The prepared plasmonic photocatalysts were tested towards stearic acid degradation under simulated sunlight. From all materials tested, P25 + 2 wt % of plasmonic ‘rainbow’ nanoparticles proved to be the most promising (56% more efficient compared to pristine P25) and was also identified as the most cost-effective. Further, 2 wt % of layer-by-layer-stabilized ‘rainbow’ nanoparticles were loaded on P25. These layer-by-layer-stabilized metals showed superior stability under a heated oxidative atmosphere, as well as in a salt solution. Finally, the activity of the composite was almost completely retained after 1 month of aging, while the nonstabilized equivalent lost 34% of its initial activity. This work shows for the first time the synergetic application of a plasmonic ‘rainbow’ concept and the layer-by-layer stabilization technique, resulting in a promising solar active, and long-term stable photocatalyst.

Abstract: Although already some mesoporous (2–50 nm) sol–gel TiO2 synthesis strategies exist, no pore size control beyond the 12 nm range is possible without using specialized organic structure-directing agents synthetized via controlled anionic/radical polymerizations. Here, we present the use of reversible addition–fragmentation chain transfer (RAFT) polymerization as a straightforward and industrial applicable alternative to the existing controlled polymerization methods for structure-directing agent synthesis. Poly(N,N-dimethylacrylamide)-block-polystyrene (PDMA-b-PS) block copolymer, synthesized via RAFT, was chosen as structure-directing agent for the formation of the mesoporous TiO2. Crack-free thin layers TiO2 with tunable pores from 8 to 45 nm could be acquired. For the first time, in a detailed and systematic approach, the influence of the block size and dispersity of the block copolymer is experimentally screened for their influence on the final meso-TiO2 layers. As expected, the mesoporous TiO2 pore sizes showed a clear correlation to the polystyrene block size and the dispersity of the PDMA-b-PS block copolymer. Surprisingly, the dispersity of the polymer was shown not to be affecting the standard deviation of the pores. As a consequence, RAFT could be seen as a viable alternative to the aforementioned controlled polymerization reactions for the synthesis of structure-directing agents enabling the formation of mesoporous pore size-controlled TiO2. To examine the photocatalytic activity of the mesoporous TiO2 thin layers, the degradation of acetaldehyde, a known indoor pollutant, was studied. Even after 3 years of aging, the TiO2 thin layer retained most of its activity.

Abstract: Het gebruik van plasmon-actieve nanodeeltjes heeft de laatste 10 jaar zeer veel interesse gewekt bij onderzoekers in verschillende toepassingsdomeinen zoals fotokatalyse of oppervlakte versterkte Raman spectroscopie. Er is echter een grote limiterende factor bij het gebruik van edelmetaal nanodeeltjes zoals goud en zilver en dat is de stabiliteit. Deze oxideren en aggregeren snel, zeker in oxidatieve omgeving zoals in lucht. Een interessante aanpak om plasmon-actieve nanodeeltjes te stabiliseren, is om ze te omgeven in een schil, met andere woorden om een kern-schil nanodeeltje te vormen. Er zijn een heel aantal verschillende manieren waarop kern-schil nanodeeltjes gesynthetiseerd kunnen worden. In eerste instantie werden metaal nanodeeltjes omgeven door een (dunne) TiO2 laag. Afhankelijk van de hoeveelheid TiO2 precursor kon de dikte van de laag gecontroleerd worden tot enkele nanometers dik. De stalen werden getest voor de fotokatalytische afbraak van een vaste laag stearinezuur waarbij toevoeging van 2 wt% metaal@TiO2 op P25 leidde tot een significante verbetering in afbraakefficiëntie in vergelijking met zuiver P25. Een andere manier voor het stabiliseren van metaal nanodeeltjes is door ze te omgeven met een polymeerschil. Op deze manier kon de laagdikte gecontroleerd worden met sub-nanometer controle wat een zeer belangrijke factor is voor de hoeveelheid near-field versterking dat buiten de polymeer schil kan gaan. Een XTT test werd uitgevoerd om te bepalen wat de zuurstofactivatie snelheid was van goud en zilver (en goud-zilver bimetallische) nanodeeltjes, al dan niet omgeven door een (niet-)geleidende polymeer laag. Wanneer de stalen gecoat werden met vier niet-geleidende polymeerlagen zakte de zuurstofactivatie nagenoeg tot nul. Aan de andere kant, als goud nanodeeltjes werden omgeven door een geleidende schil was er nog steeds zuurstofactivatie, hoewel lager dan in het geval van goud zonder laag. Het laatste deel van deze thesis focuste meer op mogelijke toepassingen in luchtzuivering. In dit werk werd een glazen buis, gecoat aan de binnenkant met (Ag@polymer gemodificeerd) TiO2, als een spiraal rond een UVA lamp gewikkeld. De geoptimaliseerde spiraalreactor werd dan vergeleken met een conventionele cilindervormige fotoreactor, met dezelfde dimensies en totale katalysatorbelading, over een grote range aan experimentele condities. Uit de resultaten bleek dat de spiraalreactor significant betere afbraakefficiënties vertoonde in vergelijking met de conventionele cilindervormige reactor over een grote range aan debieten. Een adsorptiestap in combinatie met de geoptimaliseerde spiraalreactor zou kunnen leiden tot een zeer krachtige luchtzuiveringstechnologie.

Abstract: Silver-polymer core–shell nanoparticles show interesting optical properties, making them widely applicable in the field of plasmonics. The uniformity, thickness and homogeneity of the polymer shell will affect the properties of the system which makes a thorough structural characterization of these core–shell silver-polymer nanoparticles of great importance. However, visualizing the shell and the particle simultaneously is far from straightforward due to the sensitivity of the polymer shell towards the electron beam. In this study, we use different 2D and 3D electron microscopy techniques to investigate different structural aspects of the polymer coating.

Abstract: Photocatalytic reactors for the degradation of gaseous organic pollutants often suffer from major limitations such as small reaction area, sub-optimal irradiation conditions and thus limited reaction rate. In this work, an alternative solution is presented that involves a glass tube coated on the inside with (silvermodified) TiO2 and spiraled around a UVA lamp. First, the spiral reactor is coated from the inside with TiO2 using an experimentally verified procedure that is optimized toward UV light transmission. This procedure is kept as simple as possible and involves a single casting step of a 1 wt% suspension of TiO2 in ethanol through the spiral. This results in a coated tube that absorbs nearly all incident UV light under the experimental conditions used. The optimized coated spiral reactor is then benchmarked to a conventional annular photoreactor of the same outer dimensions and total catalyst loading over a broad range of experimental conditions. Although residence time distribution experiments indicate slightly longer dwelling of molecules in the spiral reactor, no significant difference in by-passing of gas between the spiral reactor and the annular reactor can be claimed. Acetaldehyde degradation efficiency of 100% is obtained with the spiral reactor for a residence time as low as 60 s, whereas the annular reactor could not achieve full degradation even at 1000 s residence time. In a final case study, addition of long-term stable silver nanoparticles, protected by an ultra-thin polymer shell applied via the layer-by-layer (LbL) method, to the spiral reactor coating is shown to double the degradation efficiency and provides an interesting strategy to cope with higher pollutant concentrations without changing the overall dimensions.