Elektrokimyasal yöntemle indirgenmiş grafen oksit/titanyum dioksit yüzeyinin alüminyum ile doplanması, kapasitif ve fotokatalitik özelliklerinin incelenmesi
Doping of electrochemically reduced graphene oxide/titanium dioxide surface with aluminum and investigation of its capacitive and photocatalytic properties
Yazar: EBRU TURGUT HİM
Danışman: PROF. DR. ÜMİT DEMİR
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry

Özet:
Bu tez çalışmasında, florin katkılı kalay oksit (FTO) yüzeyine TiO₂ ve elektrokimyasal yöntemle indirgenmiş grafen oksit (ERGO) elektrodepozisyon yöntemiyle kaplanmış ve bu yapıya Al katkılanarak TiO₂/ERGO yapılarının fotoelektrokatalitik ve kapasitif performans özelliklerinin iyileştirilmesi ve incelenmesi amaçlanmıştır. Bu bağlamda, FTO-ERGO/TiO₂/Al nanokompozit fotoelektrotlar pratik, ucuz ve çevreci olan elektrokimyasal yöntemlerle üretilmiştir. Oluşturulan elektrot yüzeyleri, fotoelektrokatalitik ve kapasitif özellikleri açısından ayrı ayrı değerlendirilerek, belirlenen optimum şartlarda elektro-redüktif olarak Al ile katkılanmıştır. ERGO/TiO₂ yapısına Al katkılanması ile TiO₂'nin geniş bant aralığı daraltılmış ve böylece görünür bölgedeki ışık etkileşimi artırılmıştır. Bu işlem sonucunda, hem görünür bölgedeki foton absorpsiyonu için ideal bir morfolojik yapı elde edilmiş hem de ERGO'nun yüksek elektriksel iletkenliği ve elektron hareketliliği sayesinde fotoelektrotlara etkin elektron iletim hızı kazandırılmıştır. FTO-ERGO/TiO₂/Al nanokompozit yapıları, X-ışını Kırınım Spektroskopisi (XRD), X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS), Taramalı Elektron Mikroskopisi (SEM) ve Transmisyon Elektron Mikroskopisi (TEM) ile yapısal ve morfolojik olarak karakterize edilmiştir. Elde edilen veriler, nanokompozit yapıların homojen bir dağılıma sahip olduğunu ve yüzey morfolojisinin optimize edildiğini göstermiştir. Nanokompozit elektrotların fotoelektrokatalitik etkisinin incelenmesi amacıyla, kirleticilerin fotokatalitik parçalanmasına bir örnek teşkil eden ve tekstil atık sularında oldukça yüksek oranda bulunan metilen mavisinin fotoelektrokatalitik bozundurulması gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmada, metilen mavisinin fotoelektrokimyasal gideriminde yalnızca güneş enerjisi kullanılmış, herhangi bir potansiyel uygulanmamıştır. Fotobozunma sırasında azalan metilen mavisi konsantrasyonu, UV absorpsiyonunda meydana gelen değişim ile belirlenmiştir. Ek olarak, FTO-ERGO/TiO₂/Al nanokompozitlerin kapasitif özelliklerinin incelenmesi amacıyla, döngüsel voltamogramları (CV) ve galvanostatik şarj-deşarj eğrileri (GCD) kaydedilmiştir. Yapılan ölçümler üzerinden spesifik kapasitans değerleri hesaplanmış ve literatürle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, Al katkılı FTO-ERGO/TiO₂ nanokompozitlerin, FTO-ERGO/TiO₂'ye kıyasla daha yüksek fotoelektrokatalitik aktivite ve kapasitif performans sergilediğini göstermiştir. Bu durum, Al katkısının bant aralığını daraltarak görünür bölgedeki ışık absorpsiyonunu artırması ve ERGO'nun yapıda elektriksel iletkenliği iyileştirmesi ile ilişkilendirilmiştir. Ayrıca, elektrokimyasal yöntemle üretilen nanokompozitlerin, çevreci ve ekonomik bir üretim süreci ile elde edilmesi, bu yapıların endüstriyel uygulamalar için uygunluğunu artırmaktadır. Tez çalışması kapsamında hazırlanan FTO-ERGO/TiO₂/Al nanokompozit yapılarının üretim aşamasında herhangi bir yan ürün veya zararlı atık oluşmaması, bu yöntemin sürdürülebilirlik açısından da avantajlı olduğunu ortaya koymaktadır. Sonuç olarak, bu çalışmada geliştirilen nanokompozit fotoelektrotlar, atık sulardaki kirleticilerin yalnızca güneş aydınlatması kullanılarak giderilebilmesi ve tekrar kullanılabilirliği bakımından öne çıkmaktadır. Bu yaklaşım, çevresel sürdürülebilirlik ve enerji maliyetlerinin azaltılması açısından büyük önem taşımaktadır.  Ayrıca enerji depolama uygulamalarında kullanılabilirliği gösterilmiştir.

Abstract:
In this thesis, the aim was to improve and investigate the photoelectrocatalytic and capacitive performance properties of titanium dioxide (TiO₂) and electrochemically reduced graphene oxide (ERGO) structures deposited on a fluorine doped tin oxide (FTO) surface via electrochemical deposition and electro-reductively doped with aluminum (Al). In this context, FTO-ERGO/TiO₂/Al nanocomposite photoelectrodes were produced using practical, cost-effective, and environmentally friendly electrochemical methods. The fabricated electrode surfaces were individually evaluated for their photoelectrocatalytic and capacitive properties. The incorporation of Al into the ERGO/TiO₂ structure narrowed the wide band gap of TiO₂, thereby enhancing light interaction in the visible region. This process resulted in an ideal morphological structure for photon absorption in the visible region and facilitated efficient electron transport within the photoelectrodes due to the high electrical conductivity and electron mobility of ERGO. The FTO-ERGO/TiO₂/Al nanocomposite structures were structurally and morphologically characterized using X-ray Diffraction (XRD), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), Scanning Electron Microscopy (SEM), and Transmission Electron Microscopy (TEM) techniques. The obtained data demonstrated that the nanocomposite structures exhibited a homogeneous distribution and optimized surface morphology. To investigate the photoelectrocatalytic activity of the nanocomposite electrodes, the photoelectrocatalytic degradation of methylene blue, a common pollutant found in high concentrations in textile wastewater, was performed as an example of the photoelectrocatalytic degradation of organic pollutants. In this study, only solar energy was used for the photoelectrochemical removal of methylene blue, and no additional potential was applied. The decrease in methylene blue concentration during photodegradation was determined by the change in UV absorption. Additionally, to examine the capacitive properties of the FTO-ERGO/TiO₂/Al nanocomposites, cyclic voltammograms and galvanostatic charge-discharge curves were recorded. Specific capacitance values were calculated from the measurements and compared with the literature. The results showed that Al-doped FTO-ERGO/TiO₂ nanocomposites exhibited higher photoelectrocatalytic activity and capacitive performance compared to FTO-ERGO/TiO₂. This improvement is attributed to the fact that Al doping narrows the band gap and increases the light absorption in the visible region, and ERGO improves the electrical conductivity of the structure. Moreover, the production of nanocomposites by electrochemical methods, which are environmentally friendly and economically viable, increases the suitability of these structures for industrial applications. The fact that no by-products or harmful waste were generated during the production of FTO-ERGO/TiO₂/Al nanocomposites within the scope of this thesis demonstrates the sustainability advantages of this method. Consequently, the nanocomposite photoelectrodes developed in this thesis stand out for their ability to remove pollutants from wastewater using only solar illumination and their reusability. This approach is significant for environmental sustainability and reducing energy costs. Additionally, their potential for use in energy storage applications has been demonstrated.
In conclusion, the FTO-ERGO/TiO₂/Al nanocomposite structures developed in this thesis exhibited high performance in photoelectrocatalytic and capacitive applications, and with environmentally friendly and cost-effective production processes, they stand out as suitable materials for industrial applications.