Mezogözenekli G-C3N4 tabanlı kompozit malzemelerin atık sulardan bazı organik kirleticilerin gideriminde fotokatalitik aktivitesinin değerlendirilmesi
Evaluation of photocatalytic activity of mesoporous G- C3N4 based composite materials in removal of some organic contaminants from waste water
Yazar: DİREN KILIÇ
Danışman: PROF. DR. SEMRA KARACA ; DOÇ. DR. ÖNDER METİN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizikokimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
etkin giderimi için heteroeklem fotokatalizörü olarak stronsiyum oksitle modifiye edilmiş mezogözenekli grafitik karbon nitrür destekli titanyum dioksit (SrO-mpg-CN/TiO2) ve mezogözenekli grafitik karbon nitrür/polianilin/çinko oksit (mpgCN/PANI/ZnO) üçlü nanokompozitlerinin basit bir sentezi gerçekleştirildi. Bu sentezlerde toksik olmayan, biyouyumlu, çevre dostu, yenilenebilir katalizörlerin üretimine öncelik verildi.
Yöntem: Hazırlanan nanokompozitlerin morfolojisi, optik ve dokusal özellikleri, çeşitli gelişmiş analitik tekniklerle sistematik olarak araştırıldı ve yapı-fotokatalitik etkinlik, olası bir mekanizma önerilerek ilişkilendirildi. İlk olarak XRD, HRTEM, HAADF-STEM,  BET, SEM/EDS gibi tekniklerle hazırlanan katalizörlerin yapısal özellikleri, UV-Vis DRS, PL gibi tekniklerle optik özellikleri karakterize edildi. Hazırlanan katalizörlerin fotokatalitik prosesle TC gideriminde gösterdiği performans, katalizör miktarı, başlangıç TC konsantrasyonu, pH ve ışınlama süresi gibi çeşitli reaksiyon parametreleri incelenerek değerlendirildi. Reaksiyon ortamına çeşitli inhibitörler eklenerek optimum şartlarda deneyler yapıldı ve degradasyonda etkin olan reaktif oksidatif türler (ROS) belirlendi. Parçalanma ara ürünleri GC-MS yöntemiyle analiz edildi.
Bulgular: Fotokatalitik deneyler, TC bozunması için üçlü nanokompozitlerin fotokatalitik aktivitesinin, ikili ve tekli nanokompozitlerden daha yüksek olduğunu gösterdi. Yapılan deneylerden, UVA ışıması altında 180 dakikalık reaksiyon süresinde SrO-mpg-CN/TiO2 katalizörü için doğal pH 5.06 ve mpgCN/PANI/ZnO katalizörü için pH 8, 0.1 g/L katalizör dozu, 10 mg/L TC konsantrasyonu olarak belirlenen optimum şartlarda en yüksek TC giderim etkinliği sırasıyla %91.73 ve %80 olarak gerçekleşti.
Sonuç: TC gideriminde SrO-mpg-CN/TiO2 nanokompozitinin saf TiO2' ye göre artan fotokatalitik aktivitesi, yüksek yük hareketliliği sağlayan, elektron boşluk rekombinasyonunu önleyen ve UVA radyasyonu altında redoks kapasitesinin artmasına sebep olan SrO'in fotkataliz mekanizmasında elektron transfer etme özelliğine atfedildi. mpg-CN/PANI/ZnO heteroeklem yapısının artan fotokatalitik etkinliği ise nanokompozitlerin birbirine uyumlu bant boşlukları ve kenar potansiyelleri ile oluşan sinerjistik etkiye dayandırıldı. Yine yapılan deneylerden elde edilen sonuçlar ve kimyasal analizler sentezlenen üçlü heteroeklemli yapıların mpg-CN'nin fotokatalitik aktivitesini iyileştirdiğini, daha fazla aktif merkezler sağladığını ve yük ayırma etkinliğini hızlandırdığını doğruladı. Ayrıca, sentezlenen fotokatalizörlerin başlangıç aktivitelerinde önemli bir düşüş olmadan art arda beş çevrime kadar tekrar kullanılabilmesi katalizörlerin yüksek stabiliteye sahip olduğunu da gösterdi.

Abstract:
Purpose: In this thesis, a simple synthesis of strontium oxide-modified mesoporous graphitic carbon nitride supported titanium dioxide (SrO-mpg-CN/TiO2) and mesoporous graphitic carbon nitride/polyaniline/zinc oxide (mpgCN/PANI/ZnO) ternary nanocomposites as an effective heterojunction photocatalyst for tetracycline (TC) removal from water was aimed. In these syntheses, priority was given to the production of non-toxic, biocompatible, environmentally friendly, renewable catalysts.
Method: The morphology, optical and textural properties of as-prepared nanocomposites are systematically investigated by various advanced analytical techniques, and the structure-photocatalytic efficiency was related by proposing a plausible mechanism. Therefore, photocatalysts were characterized by many advanced analytical techniques such as XRD, UV-Vis DRS, SEM, EDS before being used. The photocatalytic performance of SrO-mpg-CN/TiO2 ve mpg-CN/PANI/ZnO nanocomposites was evaluated in TC degradation in water by examining various reaction parameters including catalyst amount, initial TC concentration, pH and irradiation time.
Findings: Photocatalytic experiments showed that the photocatalytic activity of ternary nanocomposites for TC degradation is higher than that of binary and pure nanocomposites. Detailed optimization studies have shown that the highest TC degradation efficiency is 91.73% and %80 respectively, using a catalyst dose of 0.1 g/L, a TC concentration of 10 mg/L at native pH 5.06 for the first catalyst and pH 8 for the second catalyst at a reaction time of 180 minutes under UVA irradiation.
Results: The enhanced photocatalytic activity of SrO-mpg-CN/TiO2 nanocomposites was attributed to the moderator role of SrO for electron transport in the photocatalysis mechanism, which provides high charge mobility, suppresses electron/hole recombination, and improves redox capacity under UVA irradiation. The increased photocatalytic efficiency of the mpg-CN/PANI/ZnO heterojunction structure was attributed to the synergistic effect with the compatible band gaps and edge potentials of the nanocomposites. Again, the results obtained from the experiments and chemical analyzes confirmed that the synthesized triple heterojunction structures improved the photocatalytic activity of mpg-CN, provided more active centers and accelerated the charge separation efficiency. In addition, the ability of the synthesized photocatalysts to be reused for up to five consecutive runs without a significant decrease in their initial activity also demonstrated the high stability of the catalysts.