Fotokataliz uygulamaları için metal içermeyen kuantum noktaların sentezi ve iki boyutlu malzemeler ile heteroeklem yapıların tasarımı
The synthesis of metal-free quantum dots and the design of their heterojunctions with 2d materials for photocatalytic applications
Yazar: ZAFER EROĞLU
Danışman: DOÇ. DR. ÖNDER METİN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı / Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Fotobozunma = Photodegradation ; Heteroeklem = Heterojunction ; Katalizörler = Catalysts ; Kuantum noktaları = Quantum dots ; İki boyutlu cisimler = Two dimensional bodies

Özet:
Amaç: Bu tez kapsamında, metal içermeyen 2B malzemeler ve 0B türevleri ile güneş spektrumunun büyük bir bölümünü soğurma yeteneğine ve gelişmiş fotofizikesel özelliklere sahip heteroeklem yapı fotokatalizörler tasarlandı ve hazırlandı. Öncülerine göre üstün özelliklere sahip metal içermeyen GQDs, SFQDs ve CNQDs, sürdürülebilir malzemeler olarak fotokatalitik çevresel iyileştirme uygulaması için özenle seçildi. QD'lerin heteroeklem yapıda fotokatalizörlere dahil edilmesiyle artan fotokatalitik aktivite, bir dizi mekanistik deney ve analiz yöntemleri ile detaylı bir şekilde araştırıldı.
Yöntem: İstenilen 0B ve 2B nanomalzemeler sıvı faz eksfoliasyon yöntemi kullanılarak bir araya getirildi ve oluan heteroeklem yapılı fotokatalizörlerin yapıları XRD, XPS, TEM, Raman spektroskopisi, UV-vis-DRS spektroskopisi, PL ve TRPL gibi ileri karakterizasyon teknikler kullanılarak aydınlatıldı. Bu heteroeklemlerin fotokatalitik aktivitesi, görünür ışık aydınlatması altında MO ve TC organik kirleticilerin bozunması üzerinde test edildi. Ayrıca, fotokatalitik mekanizmayı açıklamak için hazırlanan malzemelerin fotofiziksel özellikleri tartışıldı ve kurban ajan deneyleri ile desteklendi.
Bulgular: Karşılık gelen 2B-2B tabanlı malzemelere GQDs, SFQDs ve CNQD'lerin eklenmesi ile elde edilen heteroeklem yapılı fotokatalizörler, sudan organik boyaların ve antibiyotiklerin bozunma reaksiyonunda yük taşıyıcılarının daha iyi ayrılmasıyla birlikte daha yüksek fotobozunma verimliliği gösterdi. Bu heteroeklemlerin reaksiyon kinetiklerine dayalı fotokatalitik aktiviteleri GQDs@CNSF>SFQDs@rGOCN>CNQDs@SFrGO olarak bulundu. Bu yapıların bant hizalamaları detaylı olarak incelendi ve yapılan mekanistik çalışmalar, bilinen heteroeklem tiplerinden sıra dışı göç yollarına sahip olduklarını gösterdi. Daha da önemlisi, her heteroeklemin kendine özgü özelliklere sahip olduğu tespit edildi.
Sonuç: İyi tasarlanmış GQDs@CNSF, SFQDs@rGOCN ve CNQDs@SFrGO başarılı bir şekilde sentezlendi ve gelişmiş fotokatalitik özellikler elde edildi. Merak uyandıran sonuçların ardındaki nedenler, analitik ve deneysel teknikler kullanılarak ortaya çıkarıldı.

Abstract:
Purpose: In this thesis, the heterostructures containing metal-free 2D materials with their 0D counterparts are designed as photocatalysts that enclose the large portion of solar spectrum. Metal-free GQDs, SFQDs and CNQDs with superior properties to their precursors were elaborately selected for the application of environmental remediation as sustainable materials. Moreover, the enhanced photocatalytic activity with the involvement of QDs in heterojunction was demonstrated by a series of mechanistic experiments and analyses.
Method: The desired 0D and 2D nanomaterials were integrated by using the liquid-phase assisted exfoliation method and the structural analyses were performed with advanced characterization techniques such as XRD, XPS, TEM, Raman spectroscopy, UV-vis-DRS spectroscopy, PL, and TRPL. The photocatalytic activity of these heterojunctions was tested on the degradation of MO and TC organic pollutants under visible light illumination. Moreover, the photophysical properties of the as-prepared materials were discussed to explain the photocatalytic mechanism and supported with scavenger experiments.
Findings: The addition of GQDs, BPQDs, and CNQDs to the corresponding 2D-2D-based materials showed higher photodegradation efficiency along with a better separation of charge carriers. The photocatalytic activities of these heterojunctions based on their reaction kinetics were found as GQDs@CNBP>BPQDs@rGOCN>CNQDs@BPrGO. The band alignments of these structures were examined and the resulting mechanistic studies showed more unusual migration pathways than the known heterojunction types. Importantly, each heterojunction has its unique set of benefits.
Results: The well-designed GQDs@CNSF, BPQDs@rGOCN, and CNQDs@BPrGO were successfully synthesized and the enriched photocatalytic properties were achieved. The reasons behind intriguing results were revealed using analytical and experimental techniques.