Farklı destek maddeleri yüzeyine dekore edilmiş metal nanokümelerin fotokatalitik performanslarının Cr(VI) iyonun indirgenme ve metilen mavisinin bozunma reaksiyonlarında incelenmesi
Investigation of photocatalitic performance of metal nanoclusters decorated on various supporting material surfaces for the Cr(VI) reduction and methylene blue degradation
Yazar: HALİL İBRAHİM ÖNAL
Danışman: PROF. DR. FEYYAZ DURAP ; PROF. DR. MEHMET ZAHMAKIRAN
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Elektrokimyasal indirgeme = Electrochemical reduction ; Fotokatalitik = Photocatalytic ; Metilen mavisi = Methylene blue ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Nanoteknoloji = Nanotechnology

Özet:
Bu çalışmada titanyum oksit karbon nitrür ve benzen katkılı karbon nitrür destek malzemeleri literatüre uygun olarak sentezlendi. Gümüş (Ag), altın (Au) ve paladyum (Pd) monometalik nanokümeler, klasik emdirme-indirgenme yöntemi kullanılarak hazırlandı. Bu amaçla metal tuzunun destek malzemesi yüzeyinde oda sıcaklığında çözelti fazında yüklenmesi ve ardından NaBH4 kullanılarak indirgenmesi adımları takip edilmiştir. Hazırlanan nanomalzemelerin optik, elektronik, morfolojik ve yapısal analizleri, FT-IR, UV-DR, BET, P-XRD, XPS, SEM, EDX ve TEM gibi cihazlar kullanılarak tanımlandı. Elde edilen TiO2-C3N4 ve BD-C3N4 destekli monometalik nanomalzemelerin fotokatalitik etkinlikleri görünür ışık altında metilen mavisinin bozunmasında ve Cr(VI) iyonunun Cr(III)'e indirgenme reaksiyonunda incelendi. Fotokatalitik incelemeler sonucunda monometalik %0,5Au@TiO2-C3N4 %0,5Pd@TiO2-C3N4 ve %3Pd@BD-C3N4 nanokatalizörlerinin fotokatalitik etkinliklerinin destek malzemesi ve diğer monometalik nanokatalizörlere göre daha yüksek fotokatalitik etkinlik gösterdiği belirlendi. TEM analizinde elde edilen görüntülerden destek malzemeleri üzerindeki Ag, Pd ve Au nanoparçacıklarının ortalama parçacık boyutları image-j nanopartikül boyut hesaplama programı kullanılarak tanımlandı. %0,5Pd@TiO2-C3N4 katalizörü için parçacık boyutu 1,8-3,8 nm aralığında ve ortalama 1,9 nm çapında, %0,5Au@TiO2-C3N4 katalizörü için parçacık boyutu 1,2-3,4 nm aralığında ve ortalama 1,5 nm çapında ve %3Pd@BD-C3N4 katalizörü için parçacık boyutu 2-5,5 nm aralığında ve ortalama 4 nm çapında olduğu tespit edildi. Bununla birlikte %0,5Au@TiO2-C3N4 %0,5Pd@TiO2-C3N4 ve %3Pd@BD-C3N4 fotokatalizörlerinin tekrar kullanılabilirliği tekrar kullanılabilirlik testi (recyclable) ile değerlendirildi. Test sonuçlarına göre metilen mavisi bozunmasında %0,5Au@TiO2-C3N4 fotokatalizörü dördüncü çevrimde %78, %0,5Pd@TiO2-C3N4 fotokatalizörü üçüncü çevrimde %88 ve %0,5Pd@TiO2-C3N4 fotokatalizörü üçüncü çevrimde %68 bozunma gösterdi. Cr(VI) iyonunun Cr(III)'e indirgenme reaksiyonunda yapılan tekrar kullanılabilirlik testinde; %0,5Au@TiO2-C3N4 fotokatalizörü üçüncü çevrimde %85, %0,5Pd@TiO2-C3N4 fotokatalizörü üçüncü çevrimde %84, %3Pd@BD-C3N4 fotokatalizörü üçüncü çevrimde %85 indirgeme gösterdi. Bu çalışmalarda elde edilen başarılı sonuçlar hazırlanan bu nanokatalizörlerin başta metilen mavisinin bozunması ve Cr(VI) indirgenme reaksiyonlarında olmak üzere farklı toksik boyar maddelerin atık sulardan giderilmesinde ya da faydalı hale getirilmesinde kullanılabileceği öngörülmektedir.

Abstract:
In this study, titanium oxide carbon nitride and benzene doped carbon nitride support materials were synthesized in accordance with the literature. Silver (Ag), gold (Au), and palladium (Pd) monometallic nanoclusters were prepared using the classical impregnation-reduction method. For this purpose, the steps of loading the metal salt in the solution phase at room temperature on the surface of the support material and then reducing it using NaBH4 were followed. Optical, electronic, morphological and structural analyzes of the prepared nanomaterials were defined using devices such as FT-IR, UV-DR, BET, P-XRD, XPS, SEM, EDX and TEM. The photocatalytic activities of the obtained TiO2-C3N4 and BD-C3N4 supported monometallic nanomaterials were investigated in the degradation of methylene blue under visible light and the reduction reaction of Cr(VI) ion to Cr(III). As a result of photocatalytic investigations, it was determined that the photocatalytic activities of monometallic 0.5%Au@TiO2-C3N4 0.5%Pd@TiO2-C3N4 and %3Pd@BD-C3N4 nanocatalysts showed higher photocatalytic efficiency than the support material and other monometallic nanocatalysts. The average particle sizes of Ag, Pd and Au nanoparticles on the support materials from the images obtained in the TEM analysis were defined using the image-j nanoparticle size calculation program. Particle size for 0.5%Pd@TiO2-C3N4 catalyst is in the range of 1.8-3.8 nm with an average diameter of 1.9 nm, for 0.5%Au@TiO2-C3N4 catalyst, the particle size is in the range of 1.2-3.4 nm with an average diameter of 1.5 nm, and % The particle size for the %3Pd@BD-C3N4 catalyst was found to be in the range of 2-5.5 nm and an average diameter of 4 nm. However, the reusability of 0.5%Au@TiO2-C3N4, 0.5%Pd@TiO2-C3N4 and %3Pd@BD-C3N4 photocatalysts was evaluated with the recyclable test. According to the test results, 0.5%Au@TiO2-C3N4 photocatalyst showed 78% degradation in the fourth cycle, 0.5%Pd@TiO2-C3N4 photocatalyst showed 88% degradation in the third cycle and 0.5%Pd@TiO2-C3N4 photocatalyst showed 68% degradation in the third cycle in methylene blue degradation. In the reusability test performed in the reduction reaction of Cr(VI) ion to Cr(III); 0.5%Au@TiO2-C3N4 photocatalyst showed 85% reduction in the third cycle, 0.5%Pd@TiO2-C3N4 photocatalyst showed 84% reduction in the third cycle, and %3Pd@BD-C3N4 photocatalyst showed 85% reduction in the third cycle. It is predicted that these nanocatalysts, which have been prepared with successful results in these studies, can be used to remove different toxic dyestuffs from wastewater or to make them useful, especially in the degradation of methylene blue and Cr(VI) reduction reactions.