Mn3O4/p(DCPD)hipe nanokompozitlerin sentezi ve katalitik uygulamaları
Synthesis and catalytic applications of Mn3O4/p(DCPD)hipe nanocomposites
Yazar: RABİA YEŞİL
Danışman: PROF. DR. SEVİL ÇETİNKAYA
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Çeşitli endüstriyel süreçlerde toksik ve zararlı organik kirleticiler içeren atık su miktarındaki artış, çevre için ciddi sorunlar yaratmaktadır. Metilen mavisi (MB) ve fenol gibi organik bileşiklerin atık sudan uzaklaştırılmasında kullanılmak üzere, yeni katalizörler geliştirmek için büyük çaba sarf edilmektedir. Her ne kadar trimangan tetraoksit nanopartikül (Mn3O4 NP) organik bileşiklerin oksidasyonu için katalizör olarak kullanılsa da, zayıf kararlılığa ve topaklanma özelliğine sahip olması katalitik etkinliğinde bir azalmaya neden olabilir. Bu tez çalışmasında, Mn3O4 NP'lerin ve karbon bazlı polimerlerin kombinasyonunun bu problemleri çözmede alternatif bir yol olabileceği düşünülmüştür.

Bu tez üç ana bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, yüksek verimde hausmanit Mn3O4 NP'ler, Mn(acac)2 öncülü kullanılarak iki ayrı termal ayrışma sentez metodu ile başarılı bir şekilde sentezlendi. XRD ile yapılan yapı analizleri, 15.3 ve 22.2 nm büyüklüğünde tetragonal kristal yapı da sentezlenen NP'lerin olduğunu gösterdi. Küçük parçacık büyüklüğüne sahip Mn3O4 NP'ler model dolgu malzemesi olarak seçildi.

İkinci bölümde, ilk kez, gözenekli Mn3O4/p(DCPD)HIPE nanokompozitler sentezlendi. Nanokompozitler Mn3O4 NP içeren yüksek iç faz emülsiyonların (HIPE) sürekli fazının polimerizasyonu ile sentezlendi. Bu sentezlerde deiyonize su iç faz, Pluronik L121 sürfaktan ve rutenyum alkiliden katalizörü başlatıcı olarak kullanıldı. Nanopartikül miktarlarının nanokompozitlerin yapısı üzerindeki etkisi detaylı olarak incelendi. Doğal poliHIPE yapısı ve en yüksek yüzey alanına sahip olan nanokompozit, katalitik uygulama çalışmaları için model adsorban olarak seçildi.

Üçüncü ve son kısım katalitik oksidasyon çalışmaları ile ilgilidir. Elde edilen nanokompozit, H2O2 varlığında MB boyasının oksidasyonu ve potasyum peroksimonosülfat (okzon) varlığında sulu fenolün bozunmasında test edildi. Kirletici başlangıç konsantrasyonu, katalizör yükleme miktarı, sıcaklık ve oksidan gibi çeşitli parametrelerin MB ve fenolün bozunma işlemi üzerindeki etkileri detaylı bir şekilde incelendi. Bu yeni nanokompozitin organik bileşiklerin H2O2 ve okzon ile oksidasyonu ve yok edilmesinde etkin bir katalizör olduğu bulundu.

Anahtar Kelimeler: PoliHIPE, nanokompozit, Mn3O4, nanopartikül, kataliz, gözenekli polimer, metilen mavisi, fenol, ileri oksidasyon prosesi.

Abstract:
The increase in the amount of wastewater containing toxic and harmful organic pollutants in various industrial processes creates serious problems for the environment. Great efforts have been made to develop new catalysts for the removal of organic compounds such as methylene blue (MB) and phenol from wastewater. Although trimanganese tetraoxide nanoparticle (Mn3O4 NP) is used as catalyst for the oxidation of organic compounds, having poor stability and aggregation can cause a decrease in its catalytic efficiency. In this thesis, it was thought that the combination of Mn3O4 NPs and carbon-based polymers could be an alternative way to solve these problems.

This thesis consists of three main parts. In the first part, high yield hausmannite Mn3O4 NPs were synthesized successfully via two different thermal decomposition synthesis routes with Mn(acac)2 as a precursor. Structural studies by XRD indicate that the synthesized NPs as tetragonal crystal structure with size of 15.3 and 22.2 nm. The Mn3O4 NPs having small particle size were chosen as model filler. 

In the second part, for the first time, porous Mn3O4/p(DCPD)HIPE nanocomposites were prepared. The nanocomposites were synthesized by the polymerization of a continuous phase of high internal phase emulsions (HIPEs) containing Mn3O4 NPs. In these syntheses, deionized water was used as an internal phase, Pluronic L121 was used as surfactant, and ruthenium alkylidene catalyst was used as the initiator. The effect of nanoparticle amounts on the structure of nanocomposites was examined in detail. The nanocomposite with natural polyHIPE structure and having the highest surface area was chosen as model adsorbent for catalytic application studies. 
The third and last part deals with the catalytic oxidation studies. The resulting nanocomposite was tested in the oxidation of MB dye in the presence of H2O2 and degredation of aqueous phenol in the presence of potassium peroxymonosulfate (oxone). Effects of several parameters such as initial pollutant concentration, catalyst loading, temperature and oxidant on the degradation processes of MB and phenol were studied in detail. This new nanocomposite was found to be an effective catalyst for the oxidation and destruction of organic compounds with H2O2 and oxone.

Keywords: PolyHIPE, nanocomposite, Mn3O4, nanoparticle, catalyst, porous polymer, methylene blue, phenol, advanced oxidation process.