Ce katkılı nanoyapılı ZnO filmlerinin sentezi ve fotokatalitik aktivitesi
Synthesis of Ce doped nanostructured ZnO films and photocatalytic activity
Yazar: LEYLA KABA
Danışman: DOÇ. DR. SENİYE KARAKAYA
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Katıhal Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Endüstriyel kaynaklı su kirliliği son yıllarda giderek ciddi bir sorun haline gelmektedir. Bu sorunu çözmek için alternatif bir süreç olarak yarıiletken fotokatalizörler tercih edilmektedir. Bunlardan ZnO fotokatalizörleri uygun maliyeti, doğada bol bulunması ve çevre dostu bir malzeme olması gibi özelliklerinden dolayı son zamanlarda atık su arıtımında umut vadeden bir katalizör olarak ön plana çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında ise ekonomik bir yöntem olan Ultrasonik Sprey Piroliz yöntemi (USP) ile üretilen katkısız ZnO ve ZnO:Ce (% 2, % 4, % 6, % 8) filmlerinde metilen mavisi (MB) boyasının bozunmasıyla fotokatalitik aktiviteleri belirlenmiştir. ZnO fotokatalizörüne (Gd, Sm, Ce ve Er vb.) gibi nadir toprak elementleri katkılanarak fotokatalitik aktivitenin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Nadir toprak elementlerinden biri olan seryum (Ce) katkısının filmlerin optik, yapısal, yüzey özellikleri ve fotokatalitik aktivitesi üzerine etkisi UV-Görünür spektrofotometri, spektroskopik elipsometri (SE), XRD, atomik kuvvet mikroskobu (AFM), alan emisyon tarama mikroskobu (FESEM) ve fotolüminesans spektrometresi (PL) kullanılarak araştırılmıştır. Filmlerin morfoloji analizlerinde Ce katkısı sonucunda kasımpatı (krizantem) benzeri nanoçiçek yapısı gözlenmiştir. Fotokatalitik uygulamalarda kullanılacak ZnO:Ce filmlerin yapısında oluşan tuzak seviyelerini belirlemek amacıyla fotolüminesans spektrumları alınmıştır. Sonuç olarak, ZnO:Ce filmlerinin fotokatalitik özelliklerinin, fotokatalizörün yüzey morfolojisine ve yüzey kusurlarına (çinko aradurum, oksijen boşlukları) bağlı olarak önemli ölçüde değiştiği tespit edilmiştir. Fotokatalitik aktivite ölçümleri, en yüksek bozunma verimi değerine sahip filmin % 8 Ce katkılı ZnO filmleri olduğunu göstermiştir. Tüm sonuçlar değerlendirildiğinde, Ce katkısının fotokatalitik aktivite uygulamalarında önemli bir etkisi olduğu belirlenmiştir. 





Anahtar Kelimeler: ZnO:Ce, Ultrasonik Sprey Piroliz Yöntemi, Fotolüminesans, Fotokatalitik.

Abstract:
Industrial water pollution has become an increasingly serious problem in recent years. Semiconductor photocatalysts are preferred as an alternative process to solve this problem. Among these, ZnO photocatalysts have recently come to the forefront as a promising catalyst in wastewater treatment due to their cost effective, abundant availability in nature and being an environmentally friendly material. In this thesis, photocatalytic activities of pure ZnO and ZnO:Ce (2 %, 4 %, 6 %, 8 %) films produced by Ultrasonic Spray Pyrolysis (USP), which is an economical method, were determined by degradation of methylene blue (MB) dye. It is aimed to improve the photocatalytic activity by doping ZnO with rare earth elements (Gd, Sm, Ce and Er etc.). The effect of cerium (Ce) doping on the optical, structural, surface properties and photocatalytic activity of the films was investigated using UV-visible spectrophotometry, spectroscopic ellipsometry (SE), XRD, atomic force microscopy (AFM), field emission scanning microscopy (FESEM) and photoluminescence spectrometry (PL). In the morphology analysis of the films, a chrysanthemum-like nanoflower structure was observed as a result of Ce doping. Photoluminescence spectra were taken to determine the trap levels formed in the structure of ZnO:Ce films to be used in photocatalytic applications. As a result, it was found that the photocatalytic properties of ZnO:Ce films vary significantly depending on the surface morphology of the photocatalyst and surface defects (zinc interstitial, oxygen vacancies). Photocatalytic activity measurements showed that the film with the highest degradation efficiency value was 8 % Ce doped ZnO films. Evaluating all the results, it was determined that Ce doping had a significant effect on photocatalytic activity applications.







Keywords: ZnO:Ce, Ultrasonic Spray Pyrolysis Method, Photoluminescence, Photocatalytic.