Modifiye edilmiş nanoparçacıkların ve kesterit yapılı nanofiberlerin hidrojen üretiminde kullanımı
The use of hydrogen production of modified nanoparticles and kesterite nanofiber structures
Yazar: MEHMET KEREM GÖNCE
Danışman: DOÇ. DR. İMREN HATAY PATIR
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Dünyanın gün geçtikçe artan enerji ihtiyacını karşılamak amacıyla yeni enerji kaynakları ve taşıyıcıları aranmaktadır. Hidrojen gazının yanması sonucunda çevreye zarar verici etkisi olmaması, yenilenebilir olması ve kolayca elektriğe dönüşmesi nedeniyle geleceğin enerji taşıyıcısı olarak görülmektedir. Hidrojen üretimi için günümüzde biyokütle, fosil kaynaklar ve sudan yararlanılmaktadır. Fotokatalitik olarak suyun ayrıştırılması metoduyla hidrojen üretimi düşük maliyeti, temiz olması, çevre dostu olması ve güneş enerjisinin kullanılması yönüyle gelecek vaad eden bir yöntemdir. Fotokatalitik hidrojen üretimi sistemlerinde ucuz, yüksek aktiviteli hidrojen üretimi katalizörleri gerekmektedir. Son yıllarda çok sayıda Pt içermeyen, ucuz ve kolay bulunan inorganik metal sülfitleri, metal selenitler, metal karbitler, metal nitritler ve metal fosfitler gibi katalizörlerin hidrojen üretiminde kullanımı yaygın bir şekilde rapor edilmiştir.
Bu çalışmada ilk olarak CdSeS nanokristalleri düşük sıcaklıkta çift faz yöntemiyle oleik asit (OLA) kaplı olarak sentezlenmiştir. Bu nanokristallerin yüzeyi ligand değişim metodu kullanılarak elektronca zengin MC1 ve MC2 adlı ligandlarla kaplanmıştır. Daha sonra nanokristaller fotokatalitik hidrojen üretiminde fotokatalizör olarak kullanılmıştır. Modifiye edilmiş nanokristallerin hidrojen üretim aktivitelerinin oleik asit kaplı CdSeS nanokristalinden daha düşük olduğu gözlenmiştir.
Kalkojenit temelli yarı iletkenlerden Cu2XSnS4 (CXTS, X = Ni, Fe, Co, Zn, Mn), Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) ve Cu2ZnSn(Se1-xSx)4 (CZTSeS) türevleri fotonik uygulamalarındaki kullanımı oldukça yaygındır. Buna rağmen CXTS, CZTSe ve CZTSeS yarıiletkenler kullanılarak hidrojen üretiminde çok az sayıda rapor bulunmaktadır. Bu tez çalışmasında CXTS, CZTSe ve CZTSeS nanofiberleri elektro eğirme metoduyla sentezlenerek ilk defa fotokatalitik hidrojen üretimi sisteminde kullanılmıştır. Cu2ZnSnS4 > Cu2ZnSnSe4 > Cu2ZnSn(SexS1-x)4 sıralamasıyla saatlik hidrojen üretimi gerçekleştirdiği belirlenmiştir. En aktif olan CZTS nanofiberi geçiş metalleriyle türevlendirilerek CXTS nanofiberleri sentezlenmiş ve fotokatalitik hidrojen üretiminde kullanılmıştır. Hidrojen üretim oranları Cu2NiSnS4 > Cu2FeSnS4 > Cu2CoSnS4 > Cu2ZnSnS4 > Cu2MnSnS4 sıralamasıyla değişmektedir ve bu sonuçların nanofiberlerin iletkenlik band seviyeleri ile uyumlu olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
The new energy sources and carriers are sought to meet the world's growing energy needs day by day. Hydrogen gas is seen as a future energy carrier by virtue of the fact that it does not evolve the greenhouse gas CO2 in combustion, and is renewable and converted to electricity easily. Biomass, fossil fuels and water can be used for hydrogen production. Hydrogen production by photocatalytic water splitting is a promising method due to low-cost, clean, eco-friendly and using solar energy. It is required cheap, highly active hydrogen production catalysts in photocatalytic hydrogen production systems. Recently, several low cost Pt-free materials have been proposed as hydrogen production catalysts such as earth-abundant inorganic metal sulfides, metal selenides, metal carbides, metal nitrides and metal phosphides.
In this study, firstly oleic acid (OLA) coated CdSeS nanocrystals were synthesized by two phase approach in mild conditions. The surface of these nanocrystals is covered by ligand exchange method using electron rich MC1 and MC2 ligands. Then, these nanocrystals are used as a photocatalyst in the photocatalytic hydrogen production. The hydrogen production activities of modified nanocrystals were observed lower than hydrogen production activities of OLA capped nanocrystals.
Chalcogenide based semiconductors of Cu2XSnS4 (CXTS, X = Ni, Fe, Co, Zn, Mn), Cu2ZnSnSe4 (CZTSe) and Cu2ZnSn(Se1-xSx)4 (CZTSeS) derivatives are considerably used in photonic applications. Nevertheless, there are a few reports on hydrogen production by using CXTS, CZTSe and CZTSeS semiconductors. In this thesis, CXTS, CZTSe, CZTSeS nanofibers synthesized by electrospinning method were used in photocatalytic hydrogen production system for the first time. The hydrogen evolution rate for nanofibers changes in the order of Cu2ZnSnS4 > Cu2ZnSnSe4 > Cu2ZnSn(SexS1-x)4. Furthermore, the most active CZTS nanofiber derivated by transition metals, and thus CXTS nanofibers were synthesized and used for the photocatalytic hydrogen production. The rate of hydrogen evolution for nanofibers changes in the order of Cu2NiSnS4 > Cu2FeSnS4 > Cu2CoSnS4 > Cu2ZnSnS4 > Cu2MnSnS4 and these results were determined to be compatible with the conduction band levels of these nanofibers.