Bitki kökenli karbon nokta yapılardan fotokatalitik hidrojen üretimi
Photocatalytic hydrogen production from plant based carbon dot structure
Yazar: MÜNEVVER TUNA GENÇ
Danışman: PROF. DR. İMREN HATAY PATIR
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Hidrojen enerjisi temiz, güvenilir, depolanabilir ve devamlılığı olması nedeniyle yenilenebilir
enerji kaynakları arasında oldukça önemli bir yere sahiptir. Hidrojen enerjisinin sudan fotokatalitik olarak elde edilmesi hem ucuz hem de enerji üretim verimi yüksektir. Günümüze kadar fotokatalitik hidrojen üretim reaksiyonlarında birçok yarıiletken fotokatalizör çalışılmıştır. Bu fotokatalizörler arasında TiO2 fotokatalizörü ucuz olması, yüksek kimyasal kararlılığa sahip olması, toksik olmaması ve doğada bol bulunması nedeni ile literatürde oldukça çok tercih edilmiştir. Bu avantajlarına rağmen TiO2 fotokatalizörünün geniş band aralığı nedeni ile sadece UV bölge ışığı ile uyarılması, elektron-boşluk çiftlerinin rekombinasyona uğramasına ve geniş band aralığı (3.2 eV) nedenleri ile fotokatalitik hidrojen üretim veriminin düşmesine neden olmaktadır. Bu nedenle görünür bölgede de ışık absorpsiyonu yapabilmesi için tez çalışması kapsamında TiO2 fotokatalizörünün bitkilerden elde edilen karbon kuantum noktalar (CQD'lar) ile hassaslaştırılarak ve değerli metallerden platin yardımcı katalizörü varlığında fotokatalitik hidrojen üretim reaksiyonu araştırılmıştır.
Bu tez çalışmasında farklı bitki türlerinden elde edilen CQD yapıların fotokatalitik hidrojen
üretimi üzerine etkileri incelenmiştir. İlk olarak güçlü ve ayarlanabilir floresans özellikleri, küçük boyutu, foton kararlılığı sayesinde birçok biyomedikal, optik, sensör ve katalitik uygulamaları mümkün kılan CQD'lar mikrodalga yöntemi kullanılarak pratik, ucuz, çevreye zarar vermeden ve kısa sürede Gingko biloba ve Aleo vera bitkilerinden sentezlenmiştir. Daha sonra bitki kökenli CQD'lar ile hidrotermal yöntemle TiO2 fotokatalizörü hassaslaştırılmıştır. Hazırlanan CQD ve CQD/TiO2 fotokatalizörleri geçirimli elektron mikroskobu (TEM), yüksek çözünürlüklü geçirimli elektron mikroskobu (HR-TEM), taramalı elektron mikroskobu-enerji yayılımlı X-ışını analizi (SEM-EDX), X ışınları kırınımı (XRD), X-ışınları fotoelektron spektrometresi (XPS) ve infrared spektroskopisi (FT-IR) kullanılarak karakterize edilmiştir. Ayrıca UV-Vis absorpsiyon spektroskopisi ve floresans spektroskopisi ise elde edilen katalizörlerin optik karakterizasyonları için kullanılmıştır. Çevreci yöntemlerle elde edilen fotokatalizörlerin yalın ve Pt katkılı olarak hidrojen üretimleri incelenmiştir. Yalın TiO2 fotokatalizörünün hidrojen üretimi gerçekleştirmediği, CQD ile hassaslaştırılmış TiO2 yapısının fotokatalitik hidrojen üretim aktivitesi aktivitesi gösterdiği görülmüştür. Ayrıca Pt ile katkılı CQD/TiO2 fotokatalizörünün hidrojen üretiminin CQD/TiO2 fotokatalizöründen daha yüksek fotokatalitik aktivite gösterdiği rapor edilmiştir.

Abstract:
Hydrogen energy has a very important place among renewable energy sources because it is
clean, reliable, storable and continuous. Obtaining hydrogen energy from water photocatalytically is both cheap and efficient in energy generation. Many semiconductor photocatalysts have been studied in photocatalytic hydrogen generation reactions until today. Among these photocatalysts, TiO2 photocatalyst is highly preferred in the literature due to its cheapness, high chemical stability, non-toxicity and abundance in nature. Despite these advantages, the excitation of TiO2 photocatalyst with only UV region light due to its wide band gap causes the electron-gap pairs to be recombined and the photocatalytic hydrogen production efficiency decreases due to wide band gap (3.2 eV). Therefore, the photocatalytic hydrogen production reaction was investigated by sensitizing the TiO2 photocatalyst with carbon kuantum dots (CQDs) obtained from plants and in the presence of platinum co-catalyst from precious metals within the scope of the thesis study in order to make light absorption in the visible region.
In this thesis, the effects of CQDs structures obtained from different plant species onphotocatalytic hydrogen production were investigated. First of all, CQDs, which make many biomedical, optical, sensor and catalytic applications possible thanks to their strong and adjustable fluorescence properties, small size and photon stability, were synthesized from Gingko biloba and Aleo vera plants in a short time using the microwave method. Later, TiO2 photocatalyst was sensitized by hydrothermal method with plant originated CQDs. The prepared CQD and CQD/TiO2 photocatalysts are transmissive electron microscope (TEM), high resolution transmission electron microscope (HR-TEM), scanning electron microscope-energy dispersive X-ray analysis (SEM-EDX), X-ray diffraction (XRD), X- rays were characterized using photoelectron spectrometry (XPS) and infrared spectroscopy (FT-IR). In addition, UV-Vis absorption spectroscopy and fluorescence spectroscopy were used for optical characterization of the obtained catalysts. The hydrogen production of photocatalysts obtained by environmentally friendly methods as plain and Pt added was investigated. It was observed that plain TiO2 photocatalyst did not produce hydrogen, and TiO2 structure sensitized with CQD showed photocatalytic hydrogen production activity. In addition, it has been reported that hydrogen generation of CQD/TiO2 photocatalyst doped with Pt shows higher photocatalytic activity than CQD/TiO2 photocatalyst.