Nano TİO2 sentezi ve uygulaması
Synthesis of nano TİO2 and it's usage
Yazar: FİGEN ŞAHİN
Danışman: PROF. DR. ULVİ AVCIATA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Anorganik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Titanyum; anataz, brukit ve rutil olmak üzere üç kristal formunda bulunmaktadır. Anataz TiO2; pigment, gaz sensörü, katalizör ve çevresel arıtmada fotokatalizör olarak kullanılmaktadır. Ayrıca yarıiletken olan anataz TiO2 kimyasal ve biyolojik olarak inert olması, mekanik olarak dayanıklı olması, çok iyi fotokatalizör aktiviteye sahip olması, düşük maliyet ve kolay çöktürülebilir olması gibi çok çeşitli özelliklere sahiptir. Bununla beraber nano anataz TiO2 çevresel arıtmada ve atık sulardaki zararlı kimyasalların parçalanmasında kullanılan ve en çok bilinen fotokatalistlerden birisidir. Fakat fotokatalizör TiO2'in en büyük dezavantajı görünür bölgedeki işlevselliğinin düşük olmasıdır.Yarıiletken TİO2; WO3, ZnO gibi diğer metal oksitlere göre birçok avantajlara sahiptir. Bunlar, 1- Kataliz işlemi çevre şartlarında meydana gelir. 2- Fotokatalizlenme esnasında ara ürün yoktur. 3- Substratların oksitlenmesi sonucu CO2 oluşur. 4- TiO2 ucuzdur ve verimi yüksektir. 5- Uygun yüzeylere uygulanabilir. 6- Atık suların toksitesini gidermede endüstri için çok önem taşır.Sol-jel prosesi nano boyuttaki titanyum oksit tozlarını sentezlemek için kullanılmaktadır. Sol-jel prosesi daha çok metal kimyası ve seramik mühendisliği alanlarında kullanılan kimyasal tekniktir. Bunun gibi yöntemler, ağ yapmış partiküllerin veya polimerlerin oluşması için çeşitli başlangıç maddelerinin kullanılmasını öngörmektedir. Başlıca başlangıç maddeleri, hidroliz ve polikondenzasyon reaksiyonlarının değişik formlarında görev alan metal alkoksitler ve metal kloridlerdir. Metal oksitlerin oluşması, metal merkezli yapının okso(M-O-M) veya hidrokso(M-OH-M) köprüleriyle bağlanmasını içermektedir. Çözelti içerisinde metal-okso ve metal-hidrokso polimerleri oluşmaktadır. Bununla beraber, çözelti; ayrık partiküllerden, ağ yapmış polimerler oluşturarak sıvı ve katı fazlı yapıyı bir arada tutarak iki fazlı jel yapısına geçmektedir. Hidrotermal yöntem sıcak suda çözünebilir özellik gösteren tek kristal formları elde etmek amacıyla yüksek basınç altında gerçekleşmektedir. Autoklav denilen çelik basınç cihazı, reaksiyonların yüksek sıcaklık ve basınçta gerçekleşmesi için kullanılmaktadır.Bu çalışmada, fotokatalitik özelliğe sahip olan anataz formundaki TiO2, sol-jel yöntemi ile 90 °C de refluks altında 16 saat ve 500 °C ısıl işlemle 2 saat sonunda; hidrotermal yöntemle 210 °C de 1.5 saat sonunda nano kristal boyut mertebesinde toz halinde sentezlendi. Sentezlenen malzemenin fiziksel ve kimyasal özellikleri XRD, SEM, EDS, BET, TEM ve FT-IR ile karakterize edildi. Sentezlenen malzemenin fotokatalitik özellikleri, paslanmaz çelik tellerin yüzeyi daldırma yöntemi ile kaplanarak sirkülasyonlu akvaryum ve ultrasonik ortamda çeşitli boyar maddelerin UV ışık altında parçalanabilirliği araştırıldı. Belirli zaman aralıklarında alınan örneklerin analizi sonucunda, bu boyarmaddelerin UV ışık altında parçalandığı ve konsantrasyonunun azaldığı gözlendi.Anahtar kelimeler: Sol-jel, hidrotermal, nano, TiO2, fotokatalitik, kaplama.

Abstract:
Titania has three cystalline forms, these are anatase, brookite and rutile. Anatase TiO2 uses as pigments, gas sensors, catalysts, photocatalysts. However semiconductor anatase TiO2 has many different characteristics like chemical and biological inertness, mechanical toughness, excellent photocatalytic activity, low cost and easy of deposition. Hence, nanocrystalline anatase TiO2 uses in environmental purification, decomposition of dyes in wastewater. Nano TiO2 mostly uses as heterogenous photocatalytic for removing organic pollutants from air and water and also in hydrogen production from photocatalytic water-spliting. But photocatalyst TiO2?s one critical limitation is poor response to visible light.Semiconductor TiO2 has advantages over the other metal oxides like WO3, ZnO etc. These are; 1- The process occurs under ambient conditions. 2- The formation of photocyclized intermediate products, unlike direct photolysis techniques, is avoided. 3- Oxidation of the substrates to CO2 is complete. 4- The photocatalyst is inexpensive and has a high turnover. 5- TiO2 can be supported on suitable reactor substrates. 6- The process offers great potential as an industrial technology to detoxify wastewater.Sol-gel process uses to synthezise nanostructured titanium oxides powders. The sol-gel process is a wet-chemical technique widely used recently in the fields of materials science and ceramic engineering. Such methods are used primarily for the fabrication of materials starting from a chemical solution which acts as the precursor for an integrated network of either discrete particles or network polymers. Typical precursors are metal alkoxides and metal chlorides, which undergo various forms of hydrolysis and polycondensation reactions. The formation of a metal oxide involves connecting the metal centers with oxo (M-O-M) or hydroxo (M-OH-M) bridges, therefore generating metal-oxo or metal-hydroxo polymers in solution. Thus, the sol evolves towards the formation of a gel-like diphasic system containing both a liquid phase and solid phase whose morphologies range from discrete particles to continuous polymer networks. Hydrothermal synthesis uses to have single crystals which depends on the solubility of minerals in hot water under high pressure. A steel pressure vessel called autoclave uses to form high-temperature aqueous solutions at high vapor pressures.In this study, photocatalytic nano anatase TiO2 particles were synthesized in powder form by sol-gel method at 90 °C under reflux for 16 hours at 500 °C for 2 hours. Besides photocatalytic nano anatase TiO2 particles were synthesized in powder form by hydrothermal method at 210 °C for 1.5 hours. Chemical and physical properties of the synthesized powder were characterized by XRD, SEM, EDS, BET, TEM and FT-IR devices. Photocatalytic properties of the synthesized powder were examined in a circulating aquarium filled with various dyestuff solutions under UV irradiation. However dyes are examined in ultrasonic ambiance. Periodical UV spectrophotemetric analyzes showed that dyes have been degraded and their concentration has decreased under UV irradiation by time.Keywords: Sol-gel, hydrothermal, nano, photocatalytic, coating.