Tio2 ve azot katkılı Tio2 ile p-anisaldehit, 2,5-furandikarbaldehit ve vanilin'in çevre dostu koşullarda fotokatalitik sentezi
Environmental friendly photocatalytic synthesis of p-anisaldehyde, 2,5-furandicarbaldehyde and vanillin  by nitrogen doped  Tio2 and Tio2
Yazar: BİLGE SİNA TEK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. SEDAT YURDAKAL
Afyon Kocatepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu tez çalışması 3 temel çalışmadan oluşmaktadır. Tüm çalışmalarda laboratuvar
sentezi (HP) TiO2 katalizörler TiCl4 çıkış maddesinden sol-jel yöntemi ile
hazırlanmıştır. Ticari TiO2 katalizörleri de kıyaslama amaçlı kullanılmıştır. HP
katalizörleri BET Spesifik yüzey alanı, XRD, ESEM, UV-ref., TGA, FT-IR ve XPS
yöntemleriyle karakterize edilmiştir. Tüm katalizörler çevre dostu koşullarda; çözücü
olarak suyun, yükseltgen olarak oksijenin ve enerji kaynağı olarak güneş veya UV
ışığının kullanıldığı koşullarda endüstriyel açıdan önemli bazı bileşiklerin sentezlerinde
kullanılmıştır. Çevre dostu koşullarda gerçekleşen sentez reaksiyonları için
katalizörlerin sahip olması gereken özellikler bulunmuştur. Ayrıca katalizör hazırlama
koşullarının, ışık kaynağının ve substrat çeşidinin reaksiyon aktivitesine ve ürün
seçiciliğine etkisi, karakterizasyon ve deney sonuçları ile ilişkilendirilerek
belirlenmiştir.
Tez çalışmasının ilk kısmında TiO2'nin güneş ışığı altında etkin bir şekilde kullanımını
sağlayabilmek için, azot katkılı anataz ve rutil bifazik HP TiO2 katalizörler (N-HP),
ürenin azot kaynağı olarak kullanılmasıyla hazırlanmıştır. Bu bifazik TiO2 sentezinin
hazırlanması ile iki fazın sinerjik etkisinden yararlanılmak istenilmiştir. Katkılama
miktarının, yakma sıcaklığının ve ışık kaynağının etkisi çalışılmıştır. Bu katalizörlerin
aktiflikleri ve seçicilikleri sulu ortamda 4-metoksibenzil alkolün (MBA) 4-
metoksibenzaldehide (PAA) yükseltgenmesi reaksiyonu ile UV, görünür bölge (GB),
UV-GB ve simüle güneş ışığı altında test edilmiştir. Hazırlanan az kristallenmiş amorf
karakterdeki N-HP katalizörler ticari Degussa P25'ten çok daha yüksek seçicilik
göstermiştir. Bu karakterdeki katalizörlerden özellikle N-HP5-1%-100 ve N-HP5-2%-
100 sadece GB hariç UV, UV-GB ve simüle güneş ışığı altında ve su ortamında hem
yüksek aktivite, hem de yüksek seçicilik (~%85) göstermişlerdir.
TiO2'lere katkılanan azot miktarının artışı her bir katalizördeki anataz-rutil oranının
artışına ve katalizör yüzeyinin hidrofilikliğinin artmasına neden olmuştur. Katalizör
karakterizasyonu sonuçları, gerçek bir katkılamanın 300 °C sıcaklığından itibaren
gerçekleştiğini göstermiş ve bu sıcaklık değerinin aynı zamanda kristalik ve hidrofobik
katalizör oluşumu için de kritik olduğu bulunmuştur. Azot katkılaması ile katalizörün
ii
görünür bölge absorbansı artmış, ancak aktivitesinde bir gelişme görülmemiştir. Buna
karşın katkılama PAA oluşumu seçiciliğinde küçük bir iyileştirmeye sebep olmuştur.
XPS analizlerinin, TiO2'nin kristalinitesinin belirlenmesinde de kullanılabileceği
bulduğumuz sonuçlardan biridir. Ayrıca XPS analizleri azotun TiO2 kafesine
yerleştiğini veya azot türlerinin TiO2 yüzeyine adsorbe olduğunu belirlemede UV-ref.
ve FT-IR analizleri ile birlikte değerlendirilmesi gerektiği bulduğumuz bir başka
bulgudur.
Tez çalışmasının ikinci kısmında anataz, rutil ve brukit fazlarında hazırladığımız HP
katalizörleri kullanılarak, UV ışığı altında ve sulu ortamda 5-(hidroksimetil) furaldehit
(HMF)'nin 2,5-furandikarbaldehite (FDC) fotokatalitik olarak seçici yükseltgenmesi
çalışılmıştır. Sentezlenen ve karakterize edilen HP katalizörlerin ayrıca kristallenme
oranları da belirlenmiştir. Ticari katalizörler (SA, Merck, Degussa P25) kıyaslama
amaçlı kullanılmıştır. Farklı özellikteki katalizörlerin fotokatalitik olarak HMF
yükseltgenme aktiviteleri ve FDC oluşum seçicilikleri kıyaslanmış, aktif ve seçici HMF
yükseltgenme için katalizörde olması gereken özellikler belirlenmiştir. HP katalizörler
ticari katalizörlere göre, kristallenme oranlarının düşük ve hidrofilik bir yüzeye sahip
olmalarından dolayı, 2 kat daha fazla seçicilik göstermişlerdir (%25'e karşı %12).
Ayrıca sulu ortama boşluk tutucu olarak suya kıyasla eser miktarda katılan metanol
reaksiyon aktivitesini düşürürken, daha çok katalizör üzerindeki mineralizasyon
bölgelerinde etkili olduğu için, FDC seçiciliğini arttırmıştır.
Tez çalışmasının üçüncü kısmında ise ortam asitliğinin (pH) çeşitli kristalik yapı ve
fazlardaki TiO2 varlığında, su ortamında gerçekleştirilen sentez reaksiyonlarına hem
seçicilik, hem de aktivite bağlamında etkisi incelenmiştir. pH'ın sudaki MBA'nın ve
vanil alkolün (VA) aldehitlerine fotokatalitik sentezi HP ve ticari TiO2 katalizörleri ile
gerçekleştirilmiştir. pH reaksiyon hızını ve aldehit seçiciliğini oldukça fazla etkilemiş,
bu etki substrat cinsine ve katalizör yapısına göre değişiklik göstermiştir. Optimum
koşullar için düşük pH'larda MBA'nın PAA'ya %100 seçicilikte yükseltgenmesi
gerçekleşirken VA'nın vaniline yükseltgenmesi sadece yüksek pH'larda ve ancak
yaklaşık % 28 seçicilikte gerçekleşmiştir.
Elde edilen sonuçlar sıklıkla suda seçici olmadığı kabul edilen fotokatalitik işleme
pH'ın kuvvetlice etki ettiğini göstermiştir. Dikkate değer bir diğer nokta, kristallenme
oranı yüksek katalizörler varlığında yüksek pH'larda MBA ve VA yükseltgenmesinde
reaksiyon hızları yüksek iken, amorf HP katalizörler varlığında düşük pH'larda MBA
yükseltgenmesi yüksek reaksiyon hızlarında ve yüksek seçicilikte gerçekleştirilmiştir.
2014, xvi + 94 sayfa
Anahtar kelimeler: Heterojen fotokataliz, TiO2, N-katkılı TiO2, yeşil sentez, panisaldehit,
2,5-furandikarbaldehit, vanilin, pH etkisi, güneş ışığı, X-ray fotoelektron
spektroskopisi.

Abstract:
This thesis consists of 3 parts. All home-prepared (HP) TiO2 photocatalysts in the thesis
were prepared by using TiCl4 as precursor by a sol–gel method. Commercial TiO2
photocatalysts were used for comparison aims. HP photocatalysts were characterized by
BET specific surface area, XRD, ESEM, UV-reflectance, TGA, FT-IR, and XPS methods.
All catalysts were used for synthesis of some industrially important compounds in green
conditions; by using water as solvent, oxygen as oxidant source, and sun or UV light as
light source. The properties of photocatalysts for green synthesis were determined. In
addition, the preparation condition of catalysts, light source and substrate kind on the effect
of reaction activity and selectivity were determined by using characterization and
experiment results.
In the first part of thesis, in order to increase the efficiency of TiO2 under sun light, Ndoped
anatase-rutile biphasic photocatalysts (N-HP) were prepared by using urea as Ndoping
source. TiO2 was synthesised in crystalline biphasic anatase-rutile forms aiming to
get a synergic effect. The influence of doping amount, calcination temperature and light
source has been studied. The samples photocatalytic activity and selectivity were tested for
the partial oxidation of MBA to PAA in water under near-UV, visible, UV-visible and
simulated solar light. The results show that less crystalline, amorphous N-TiO2 samples are
much more selective than that of Degussa P25. Especially, from these amorphous catalysts
N-HP5-1%-100 and N-HP5-2%-100 showed high activity and selectivity (ca. 85%) under
UV, UV-vis and simulated sun light, but not under visible light, in water.
Anatase-rutil ratio and hydrophobicity of catalyst surface were increased by N doping
amount on TiO2. The obtained catalyst characterization results show that the catalysts
needed a thermal treatment temperature higher than 300 °C for real nitrogen doping; this
treatment allowed obtaining crystalline and hydrophobic samples. The results show that Ndoping
improves visible light absorption of catalysts whereas reaction rate does not
iv
increase. Selectivity was higher in the presence of badly crystallized catalysts, whereas
doping seems to have a slightly improving effect.
It was also found that XPS analysis could be used for determining crystallinity of TiO2.
Moreover, XPS analysis must be used together with DRS and FT-IR to determining
whether N is incorporated on TiO2 lattice or N species are just adsorbed on TiO2 surface.
In the second part of thesis, 5-(Hydroxymethyl)-2-furaldehyde (HMF) was selectively
oxidized to 2,5-furandicarbaldehyde (FDC) in aqueous medium by using HP anatase, rutile,
and brookite TiO2 nanoparticles. Crystalline ratios of synthesized and characterised HP
samples were also determined. Commercial TiO2 catalysts (SA, Merck, Degussa P25) were
also used for comparison aim. The HMF oxidation activity and FDC selectivity of catalysts
in different properties were compared each other and the properties of catalysts for active
and selective HMF oxidation were determined. The reactivity results showed that HP
catalysts are predominantly amorphous and give rise to selectivities toward FDC more than
twice that of commercial and well-crystallized catalysts (ca. 25% toward ca. 12%).
With the aim of improving the selectivity toward partial oxidation reaction, trace amount of
methanol respect to water as an efficient hole trap was added to the reacting suspension.
The results indicate that in the methanol containing photocatalytic system methanol acts as
an efficient hole trap by decreasing the overall degradation rate, but it affects in a more
significant way the mineralization reaction as the selectivity increases.
In the third part of thesis, the influence of pH on the photocatalytic partial oxidation of
MBA and vanillyl alcohol (VA) to their corresponding aldehydes in aqueous suspension
was investigated by using amorphous HP and crystalline commercial TiO2 photocatalysts.
Selectivities of 100% in MBA oxidation have been obtained at low pH's, whereas selective
(28%) VA oxidation has been fulfilled at high pH values by using both HP and commercial
photocatalyts. The results clearly show as tuning pH can strongly impart selectivity to
photocatalytic processes which are often quite unselective in aqueous suspensions.
The obtained results show that pH efficiently effects to photocatalytic processes. Notably,
the reaction rates in the presence of crystalline catalysts are generally high at very high
pH's by oxidising both MBA and VA; conversely, the use of amorphous HP samples give
rise to high reaction rates and selectivities at low pH's in MBA oxidation.
2014, xvi + 94 pages
Keywords: Heterojenous photocatalysis, TiO2, N doped TiO2, green synthesis, panisaldehyde,
2,5-furandicarbaldehyde, vanillin, pH effect, solar irradiation, X-ray
photoelectron spectroscopy.