Abstract: Today’s society is increasingly challenged by a range of urgent environmental problems. Air pollution is one of these pressing topics. This thesis will mainly focus on the degradation of volatile organic compounds (VOCs) and particulate matter (PM) – more specifically soot. A second globally urging topic is the quest for sustainable energy production. To simultaneously target both environmental problems, a photoelectrochemical (PEC) cell will be studied in this thesis, combining air purification and sustainable energy production in a single device. Photocatalysis is used at the anode of the PEC cell to drive the air purification process, while the energy contained in the degraded compounds is (partially) recovered at the cathode, either as H2 gas or electricity. The first two experimental chapters focus on the proof of concept of such an unbiased all-gas phase PEC cell targeting VOC degradation, using both TiO2- and WO3-based photocatalysts. In the two following experimental chapters the photocatalytic soot oxidation capacity of these TiO2- and WO3-based photocatalysts was studied. In the final experimental chapter the previously obtained results were combined, striving towards an efficient, sunlight-driven and soot-degrading waste gas-to-energy PEC cell.

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: ​Food production is a cornerstone in contemporary industrial societies. Its production requires land, water and enormous amounts of fertilizers. These precious fertilizers enter the linear food chain and suffer from a cascade of inefficiencies, resulting in detrimental effects to the environment. A radical transforming of the current food production chain is, therefore, essential to guarantee a sustainable future for humanity. ​This thesis has studied the production of microbial protein (i.e. single-cell protein), which is the use of microorganisms such as yeast, fungi, algae and bacteria as protein ingredient for animal feed. The type of microorganisms targeted in this thesis were purple non-sulfur bacteria (PNSB). These bacteria are an extremely heterogenic group that contain photosynthetic pigments and are able to perform anoxygenic photosynthesis. The core focus of the thesis was technology development for the production of PNSB as a source of microbial protein on wastewater and fresh fertilizers. In the final stage of this research, it was the objective to explore the potential of PNSB as a nutritious feed ingredient for shrimp. ​Overall, this work has provided the building blocks to transform the conventional food production chain. The findings show that PNSB production and biomass valorization is within reach. Further pilot implementation and cost reduction will facilitate the introduction of PNSB production in future’s wastewater treatment plants and the valorization of the biomass as nutritious animal feed ingredient.​