Теоријско моделовање и припрема катализатора титан(IV)–оксида модификованих депозицијом d-метала за примену у фотодеградацији ципрофлоксацина

Abstract

Ова дисертација обухвата теоријско моделовање и припрему TiO2 катализатора модификованих депозицијом одабраних d-метала, при чему се добијају сродни материјали различитих електронских својстава, са циљем њихове примене у фотокаталитичкој деградацији ципрофлоксацина. Метали за депозицију (Cu, Pt, Pd, Fe, Zr) одабрани су након компаративног DFT тестирања енергија адхезије. Припремљени катализатори су карактерисани савременим техникама структурне анализе укључујући XRPD, SEM-EDS и ICP-OES. Ципрофлоксацин (CIP), због лаке детекције, представља погодан модел за испитивање уклањања антибиотика из воде. Процес деградације је праћен путем спектрофотометрије, LC-MS/MS и TOC анализе. Резултати су показали да модификација TiO2 различитим d-металима утиче на брзину и ефикасност разградње CIP. Са аспекта механизма, доказана је значајна улога OH-радикала као оксидујуће врсте у процесу фотодеградације. Теоријска карактеризација испитиваних материјала DFT методом (прорачуни енергије везе OH-радикала на металом модификованим површинама, као и електронских структура) имала је кључну улогу у развоју предиктивног модела реактивности испитиваних материјала, у чијој је основи енергија везе исптиваних материјала са OH-радикалом. Ово истраживање представља иновативни поглед на испитиване аспекте фотокаталитичке деградације и даје смернице за даљи развој ефикаснијих и одрживих метода за пречишћавање вода загађених фармацеутским супстанцама.

This dissertation encompasses theoretical modeling and the preparation of TiO2 catalysts modified by the deposition of selected d-metals, resulting in related materials with different electronic properties, with the aim of their application in the photocatalytic degradation of ciprofloxacin. The metals chosen for deposition (Cu, Pt, Pd, Fe, Zr) were selected after comparative DFT testing of adhesion energies. The prepared catalysts were characterized using advanced structural analysis techniques, including XRPD, SEM-EDS, and ICP-OES. Ciprofloxacin (CIP), due to its easy detection, serves as a suitable model compound for studying the removal of antibiotics from water. The degradation process was monitored using spectrophotometry, LC-MS/MS, and TOC analysis. The results showed that modification of TiO₂ with different d-metals affects the rate and efficiency of CIP degradation. From a mechanistic perspective, the significant role of OH radicals as oxidizing species in the photodegradation process was demonstrated. Theoretical characterization of the investigated materials using DFT (calculations of OH radical binding energy on metal-modified surfaces, as well as electronic structures) played a key role in the development of a predictive model of reactivity of the studied materials, based on their binding energy with OH radicals. This research presents an innovative perspective on the studied aspects of photocatalytic degradation and provides guidance for the further development of more efficient and sustainable methods for the purification of water contaminated with pharmaceutical substances.