Düşük sıcaklıklarda bor nitrür nanotüp sentezi
Synthesis of boron nitride nanotube at low temperatures
Yazar: KEMAL ARSLAN
Danışman: PROF. DR. ATİLLA MİRATİ MURATHAN ; PROF. DR. AYŞE MURATHAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada, düşük sıcaklıklarda bor nitrür nanotüp (BNNT) sentezi amacıyla, amonyak ve hidrojen kullanılan mevcut kimyasal buhar biriktirme (KBB) yöntemlerinden farklı olarak, azot gazının grafit reaktörde, düşük sıcaklıklarda amorf bor ile reaksiyonuyla BNNT sentezi ve bu sentez reaksiyonu üzerinde bazı geçiş metal oksitlerinin (mangan(IV) oksit ve titan(IV) oksit) katalitik etkileri üzerinde çalışıldı. Sentez çalışmaları, mangan(IV) oksit ve titan(IV) oksit eşliğinde, farklı reaksiyon süreleri (2-6 saat), kütlece farklı bor/metal oksit oranları (1/1-20/1) ve farklı reaksiyon sıcaklıklarında (1000-1400 °C) yapıldı. Sentezlenen ürünler, X-ışını kırınımı (XRD), Fourier dönüşümlü infrared spektroskopisi (FT-IR), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX), Brunauer-Emmett-Teller yüzey karakterizasyonu (BET), termogravimetrik analiz (TGA), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) analizleri ile karakterize edildi. XRD analizlerinden, BNNT'lerin yapısını oluşturan karakteristik h-BN pikleri tespit edildi. FT-IR analizlerinden belirlenen B-N gerilme ve B-N-B eğilme bantları ile h-BN varlığı doğrulandı. Sentezlenen ürünlerin EDX spektrumları, B/N atomik oranlarının h-BN'deki B ve N atomları arasındaki kimyasal stokiyometrik oran ile uyumlu olduğunu gösterdi. Mangan(IV) oksit varlığında, 1000-1400 °C sıcaklık aralığında sentezlenen ürünlerin BET sonuçlarından, adsorpisyon/desorpsiyon izotermlerinin mezo gözenekli malzemelere özgü bir izoterm olan Tip IV izotermine uyduğu görüldü. Mangan(IV) oksitin varlığında, 1200-1400 °C sıcaklık aralığında elde edilen ürünlerin TGA termogramlarından, sentezlenen ürünlerin son derece yüksek termal kararlılığa sahip olduğu gözlendi. SEM sonuçlarından, BNNT'lerin uygun nano-ölçü aralığında elde edildiği görüldü; mangan(IV) oksit varlığında 1300 °C ve 1400 °C reaksiyon sıcaklıklarında ve titan(IV) oksit varlığında sentezlenen ürünlerde bor nitrür mikrotüp (BNMT) yapılarına rastlandı. Mangan(IV) oksit varlığında 1200 °C ve 1300 °C reaksiyon sıcaklıklarında elde edilen ürünlerin TEM sonuçlarından, sentezlenen BNNT'lerin ve BNMT'lerin çok duvarlı yapıya sahip olduğu görüldü. Sonuç olarak, SEM ve TEM analizlerinden, mangan(IV) oksit varlığında 1200 °C'de sentezlenen h-BN tabakalarının yüksek oranda kristalleşerek BNNT'ye, titan(IV) oksit varlığında 1300 °C'de sentezlenen h-BN tabakalarının ise yüksek oranda kristalleşerek BNMT'ye dönüştüğü anlaşıldı.

Abstract:
In this study, instead of the mainstream boron nitride nanotube (BNNT) synthesis with chemical vapor deposition (CVD) method in the literature, the synthesis of BNNT with the reaction between amorphous boron and nitrogen gas in a graphite furnace at low temperatures and the catalytic effects of transition metal oxides (manganese(IV) oxide and titanium(IV) oxide) on this synthesis reaction are studied. The syntheses are conducted at several occasions, such as in the presence of manganese(IV) oxide and titanium(IV) oxide, at different reaction times (2-6 hours), at different boron/metal oxide mass ratios (1/1-20/1), and at different reaction temperatures (1000-1400 °C). The synthesized products are characterized by XRD, FT-IR, EDX, BET, TGA, SEM, and TEM analyses. The characteristic peaks of the h-BN are identified from XRD analysis of the BNNTs. The B-N stretching and the B-N-B bending vibrations are determined from the FT-IR and the presence of the h-BN is thus confirmed. The EDX spectra of the synthesized products show that the B/N atomic ratios are consistent with the chemical stoichiometric ratio of B and N atoms in the h-BN. The BET results of the products synthesized in the presence of manganese(IV) oxide, at the temperature range of 1000-1400 °C, demonstrate that the adsorption/desorption isotherms are consistent with the Type-IV isotherm that is peculiar to the mesopore materials. The TGA results for the products synthesized in the presence of manganese(IV) oxide, at the temperature range of 1200-1400 °C, prove to have high thermal stability. From the SEM results, it is found that the BNNTs are obtained in a suitable range of nanoscale; for the products synthesized in the presence of manganese(IV) oxide, at the temperatures of 1300 °C and 1400 °C, and for the products synthesized in the presence of titanium(IV) oxide, the boron nitride microtube (BNMT) structures are observed. The TEM results for the products synthesized in the presence of manganese(IV) oxide, at the temperatures of 1200 °C and 1300 °C, show that the BNNTs and the BNMTs have a multi-walled structure. As a result, the SEM and the TEM analyses show that the products synthesized in the presence of manganese(IV) oxide, at the temperature of 1200 °C, the h-BN layers are at high percentage crystallized into BNNTs; the products synthesized in the presence of titanium(IV) oxide, at the temperature of 1300 °C, the h-BN layers are at high percentage crystallized into BNMTs.