Suyun katalitik yükseltgenmesi için mangan ferrit destekli-geçiş metali katkılanmış birnesit nanokompozit katalizörlerinin hazırlanması ve karakterlendirilmesi
Preparation and characterization of manganese ferrite supported-transition metal doped birnessite nanocomposites for catalytic water oxidation
Yazar: GÖKHAN ÖZGENÇ
Danışman: PROF. DR. BİRGÜL KARAN
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu yüksek lisans tez çalışmasının ilk bölümünde; mangan ferrit (MnFe2O4) nanoparçacıkları üzerine geçiş metal iyonlarıyla katkılanmış birnesit tipi-tabakalı mangan oksit (MnOx) kaplanarak suyun yükseltgenmesinde kullanılmak üzere manyetik özellikli, çekirdek-kabuk yapısında kompozit katalizörler hazırlandı. Çekirdek malzemesi olarak spinel formdaki mangan ferrit nanoparçacıkları hidrotermal yöntemle sentezlendi. Kabuk malzemesi olarak kullanılan birnesit, mangan ferrit çekirdekleri üzerinde in situ sentezlendi ve ilk sıra geçiş metalleri (Cr3+, Co2+, Ni2+, Cu2+ ve Zn2+) ile in situ ve iyon değişimi yöntemleriyle katkılandı.
Ürünler, X-Işını Kırınımı (XRD), Fourier Dönüşümlü İnfrared Spektroskopisi (FT-IR), Taramalı Elektron Mikroskopu (SEM), Enerji Dispersif X-Işını Spektroskopisi (EDS), Geçirimli Elektron Mikroskopisi (TEM), Termogravimetrik Analiz (TGA), Atomik Absorpsiyon Spektroskopisi (AAS) ve manyetizasyon ölçümleri (VSM) ile karakterize edildi. Kompozitlerin; yaklaşık 100-150 nm büyüklüğünde ve çekirdek-kabuk yapısındaki parçacıklardan oluştuğu, yumuşak ferromanyetizma özelliği gösterdikleri, geçiş metali ile katkılamanın kompozit yapısında ve morfolojisinde önemli bir değişikliğe neden olmadığı ancak ısısal kararlılıklarını etkilediği görüldü.  
Son olarak; bu nanokompozitlerin tek elektronlu bir yükseltgeyici (Ce4+) varlığında suyun kimyasal yükseltgenmesindeki katalitik aktiviteleri incelendi. Yükseltgenme ile açığa çıkan oksijen miktarları Clark elektrot ve GC-TCD sistemleri ile saptandı. Geçiş metalleri ile in situ ve iyon değişimi yöntemiyle katkılama yapılan kompozitler arasında Co2+ ve Ni2+ iyonları içerenlerin diğerlerine göre ve katkılanmamış mangan ferrit-binesit katalizörlerine göre daha yüksek katalitik aktivite gösterdikleri gözlendi. En yüksek miktarda oksijen çıkışı Co2+ ile in situ katkılanmış kompozit katalizör ile elde edildi.
Bu çalışmada hazırlanan Co2+ ve Ni2+ ile katkılanmış mangan ferrit-birnesit nanokompozitleri; katkılanmamış benzerlerine göre suyun yükseltgenmesinde daha yüksek aktiflikleri olan yeni nesil katalizörler olarak değerlendirilebilir.

Abstract:
In the first part of this thesis study; core-shell magnetic composite catalysts were prepared for use in the oxidation of water by coating transition metal-doped layered manganese oxide (MnOx) on manganese ferrite (MnFe2O4) nanoparticles. Spinel manganese ferrite nanoparticles, synthesized by a hydrothermal method, were used as the core material. The shell material "birnessite" was in situ deposited over the manganese ferrite nuclei and was doped in situ and by ion exchange with some first raw transition metal ions (Cr3+, Co2+, Ni2+, Cu2+ and Zn2+).
The products were characterized and analyzed by X-Ray Diffraction (XRD), Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FT-IR), Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS), Transmission Electron Microscopy (TEM), Thermogravimetric Analysis (TGA), magnetization measurements (VSM) and Atomic Absorption Spectroscopy (AAS). It was found that the composites were in the form of core-shell structured, 100-150 nm sized, soft ferromagnetic particles and that the transition metal doping did not cause any structural or morphological change but influenced the thermal stability.
Finally; the catalytic activities of these nanocomposites in the chemical oxidation of water were investigated in the presence of a single electron oxidizer (Ce4+). The amount of oxygen evolved by oxidation was determined by Clark electrode and GC-TCD systems. Among the composites doped with transition metals, it was observed that those containing Co2+ and Ni2+ ions exhibited higher catalytic activity than the neat birnessite-manganese ferrite catalysts. The highest amount of oxygen evolution was recorded by in situ Co2+-doped composite catalyst.
Co2+ and Ni2+ -doped birnessite-manganese ferrite nanocomposites prepared in this study displayed higher WOC activity than their neat analogues and can be considered as next generation catalysts for the oxidation of the water.