Modifiye fotokatalizörlerin sentezi, tanımlanması ve fotokatalitik hidrojen üretimi
Synthesis and characterization of photocatalysts and photocatalytic hydrogen production
Yazar: MÜNEVVER ZEYNEP SELÇUK
Danışman: PROF. DR. İSMAİL BOZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Proses ve Reaktör Tasarımı Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Fotokatalitik = Photocatalytic ; Hidrojen üretimi = Hydrogen production ; Titanyum dioksit = Titanium dioxide ; Yükleme = Loading

Özet:
Güneş enerjisi ile hidrojen üretimi, uzun dönemde suyun ve güneş ışığının özellikle de görünür dalga boyu aralığının kullanılarak yarı iletkenlerden yararlanmayı amaçlayan çalışmalar, hem ekonomik açıdan hem de stratejik açıdan büyük önem arz etmektedir. Fotokimyasal sistemlerde, özel yarı iletken malzemeler ve güneş ışığı kullanarak fotokatalitik yöntemlerle hidrojen üretebilirler. Görünür dalga boyunu absorplayacak şekilde duyarlaştırılmış TiO2 gibi geniş bant aralığına sahip yarıiletken madde, güneş enerjisi ile hidrojen üretiminde, uzun yıllardır çalışılan umut veren başlıca malzemedir.Şu anda güneş enerjisinden hidrojen üretimi verimi çok düşüktür. Bunun ana sebepleri elektron ve elektron boşluklarının tekrar birleşmesi, ters yöndeki reaksiyon ve TiO2'nin görünür ışık altındaki düşük aktivitesidir. Yüklerin tekrar birleşmesinin ve geri reaksiyonun engellenmesi için karbonat tuzları ve kurban reaktanların kullanılması araştırmacılar tarafından çalışılmıştır. Diğer çalışmalar ise değerli metal yüklemeleri, yapıya katyon girişimleri, boya ile duyarlılaştırma, kompozit yarıiletkenler oluşturma ve anyon girişimleri sayesinde TiO2'nin iyileştirilmesi ile fotokatalitik özelliklerinin geliştirilmesine odaklanmıştır.Bu tez çalışmasında güneş spektrumunun UV bölgesine duyarlı TiO2 fotokatalizörünün anyon ve metal ile katkılandırılarak sentezlenmesine, bu sentezlenen fotokatalizörlerin kurban reaktan olarak metanolün kullanıldığı su parçalanması reaksiyonu sonucunda hidrojen üretimi için kullanılmasına odaklanmıştır. Ayrıca bu fotokatalizörlerin fotokatalitik aktivitesi metilen mavisi degradasyon reaksiyonu ile test edilmiştir. Bu fotokatalizörlerin karakterizasyonu XRD ve DRS analizleri ile gerçekleştirilmiştir.Azot doplu titanyum dioksit ıslak metotla sentezlenmiş ve bu malzeme Fe, Cr, Cu, Ni ve Pt gibi çeşitli metallerin doplanması için destek malzeme olarak kullanılmıştır. Metal tuzlarının sulu çözeltileri kaynak olarak kullanılmış ve metaller N-TiO2 destek maddesinin üzerine hidrazin hidrat sulu çözeltisi ile indirgenmiştir. Bu sentezlenen katalizörlerden Ni-N-TiO2 katalizörü seçilerek nikel metali farklı konsantrasyonlarda yüklenerek bir seri katalizör daha oluşturulmuştur. Bu sentezlenen katalizörlerin görünür alan ışıması altında fotokatalitik su ayrışması reaksiyonu ile hidrojen üretimleri incelenmiştir. Farklı metal yüklü katalizör serisinden en iyi sonuç Pt-N-TiO2 katalizöründen alınmıştır. Fakat Pt-N-TiO2 ile yapılan reaksiyonda 2 saat sonra reaksiyon hızı sabitlenirken Ni-N-TiO2 katalizörü ile yapılan denemede reaksiyon süresi boyunca reaksiyon hızı artmıştır. Bu sonuç Ni-N-TiO2 katalizörünün daha dayanıklı olduğu görülmüştür.

Abstract:
The studies on photocatalytic hydrogen production as a renewable energy holds an important place, especially those studies using visible region of sunlight in conjuction with semiconductors for the production of hydrogen from water. Photocatalytic systems can produce H2 from water using special semiconductor materials and energy from sunlight wide band-gap semiconductors, such as, sensitized TiO2, are the most promising and the most widely studied material in the field of solar hydrogen conversion.Presently, the solar-to-hydrogen energy conversion ef ? ciency is too low for the technology to be economically sound. The main barriers are the rapid recombination of photo-generated electron/hole pairs as well as backward reaction and the poor activation of TiO2 by visible light. Some investigators studied the effects of addition of sacri ? cial reagents and carbonate salts to prohibit rapid recombination of electron/hole pairs and backward reactions. Other research focused on the enhancement of photocatalysis by modi ? cation of TiO2 by means of metal loading, metal ion doping, dye sensitization, composite semiconductor, anion doping.This thesis focuses on synthesis of anion and metal doped TiO2 photocatalysts and using these photocatalysts for hydrogen production from water splitting reaction using methanol as hole scavanger. Also photocatalytic activity of these photocatalysts were tested with methylene blue degradation reaction. The charactrization of these photocatalysts were carried out by XRD and DRS.Nitrogen-doped titanium oxide powders were synthesized by wet method and used as a support for various metals such as Fe, Cr, Ni, Cu and Pt toward photocatalytic hydrogen evolution. Aqeous solutions of metal salts were used as a metal source and metals were reduced on N-TiO2 powders with hydrazine hydrate solutions. Also Ni-N-TiO2 catalysts with different nickel concentration were synthesized in this study. We examined photocatalytic activities of these synthesized photocatalysts by water splitting reaction under visible ligth. Pt-N-TiO2 photocatalyst showed the best photocatalytic activity; but the H2 production rate of Pt-N-TiO2 increases for 2 h of reaction. After 2 hours, hydrogen production rate was fixed by the end of the reaction but the H2 production rate of Ni-N-TiO2 increases during the reaction. In other words, Ni-N-TiO2 was more stable than Pt-N-TiO2.