ZnO ve TiO2'nin fiziksel buhar biriktirme (PVD) ile cam üzerinde büyütülmesi; optik, yapısal ve fotokatalitik özelliklerinin araştırılması
Growth of ZnO and TiO2 on glass by physical vapor deposition (PVD); investigation of optical, structural and photocatalytic properties
Yazar: AHMET ÇETİN
Danışman: PROF. DR. MEHMET ŞİMŞİR
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Fotokatalitik = Photocatalytic ; İleri oksitlenme süreçleri = Advanced oxidation processes ; İnce filmler = Thin films

Özet:
Nanoyapılı malzemelerin çevresel uygulamalar için geliştirilmesi son yıllarda büyük ilgi görmüştür. İleri oksidasyon prosesleri (İOP'ler), su arıtma uygulamalarında kullanım için büyük potansiyel gösteren uygun alternatif yöntemlerdir ve bunların bir uygulaması da heterojen fotokatalizdir. İOP'ler diğer ileri oksidasyon işlemlerine göre uygun maliyeti, basitliği ve uygulama kolaylığı ile sudaki organik kirleticilerin giderilmesinde elverişli bir teknolojidir. Fotokatalitik ince filmler, çevresel kirlilikle mücadelede yenilikçi ve etkili bir yaklaşım sunmaktadır. Bu çalışmadaki amaç, fotokatalitik reaksiyonlar ile ince film teknolojisini birleştirerek çevresel uygulamalardaki faydalarını araştırmaktır. İnce film uygulamaları, titanyum dioksit (TiO2), çinko oksit (ZnO) gibi fotokatalitik malzemelerin nano boyutta filmlerin üretimine izin verir. Bu ince filmler; difüzyon kolaylığı, reaksiyon hızı ve artan yüzey alanının fotokatalitik etkisiyle organik kirleticilerin parçalanması sonucunda suyun arıtılması ile uygulamalarda önemli potansiyele sahiptir. Bu tez çalışmasında farklı koşullarda ve özelliklerde üretilen TiO2, ZnO ve ZnO-TiO2 ikili tabaka ince filmler PVD yöntemiyle başarıyla üretilmiştir. İnce filmlerin yapısal özelliklerini araştırmak için XRD, yüzey morfolojisi için SEM ve AFM,  Optik özelliklerinin araştırmak için UV-Vis-Nır ve FTIR karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Bu tez kapsamında ince filmlerin fotokatalitik aktivitelerini ölçmek için kendi dizayn ettiğimiz laboratuvar ölçeğinde fotoreaktörler kullanılmıştır ve deneylerUV-A ve led ışık altında yapılmıştır. Deneylerde model kirletici olarak metilen mavisi seçilmiştir. 2,5 ppm ve 5 ppm olarak hazırlanan metilen mavisi sulu çözeltisinin giderimi araştırılmıştır. Oda sıcaklığında üretilen TiO2ince filmi amorftur ve fotokatalitik performansı düşüktür. 200°C alttaş sıcaklığında üretilen ince filmlerde ve oda sıcaklığında üretilip 500°C'de üretilen 1 saat tavlanan TiO2 ince filmlerinde 6-7 saatte %90'nın üstünde giderim olduğu görülmüştür. ZnO'nun UV ışık altında fotokatalitik performansı %68'de kalmıştır. İkili tabaka olarak oda sıcaklığında üretilip 1 saat tavlanan ZnO-TiO2 ince filmlerde de %90'nın üstünde giderim olduğu görülmüştür. Üretilen ince filmlerin ıslanabilirlik ölçümleri de yapılmıştır. Oda sıcaklığında üretilip 1 saat tavlanan ZnO ince filmin ve anataz fazının oluştuğu TiO2 ince filmin hidrofilik olduğu görülmüştür.

Abstract:
The development of nanostructured materials for environmental applications has received great attention in recent years. Advanced oxidation processes (AOPs) are suitable alternative methods that show great potential for use in water purification applications, one application of which is heterogeneous photocatalysis. IOPs are a suitable technology for removing organic pollutants in water with their affordable cost, simplicity and ease of application compared to other advanced oxidation processes. Photocatalytic thin films offer an innovative and effective approach to combating environmental pollution. The aim of this study is to investigate the benefits in environmental applications by combining photocatalytic reactions and thin film technology. Thin film applications allow the production of nano-sized films of photocatalytic materials such as titanium dioxide (TiO2) and zinc oxide (ZnO). These thin films; It has significant potential in applications such as water purification as a result of the degradation of organic pollutants due to the ease of diffusion, reaction speed and photocatalytic effect of the increased surface area.
In this thesis study, TiO2, ZnO, and ZnO-TiO2 bilayer thin films produced under different conditions and specifications have been successfully produced using the PVD (Physical Vapor Deposition) method. Structural characteristics of the thin films were investigated using XRD, surface morphology was examined through SEM and AFM, and optical properties were analyzed using UV-Vis-NIR and FTIR characterizations. Within the scope of this thesis, laboratory-scale photoreactors that we designed were used to measure the photocatalytic activities of thin films, and the experiments were carried out under UVA and LED light. Methylene blue was chosen as the model pollutant in the experiments. The removal of methylene blue aqueous solution prepared as 2.5 ppm and 5 ppm was investigated. The degration of methylene blue aqueous solution prepared as 2.5 ppm and 5 ppm was investigated. TiO2 thin film produced at room temperature is amorphous and has low photocatalytic performance. It was observed that there was over 90% degration in 6-7 hours in thin films produced at 200°C substrate temperature and in TiO2 thin films produced at room temperature and annealed for 1 hour at 500°C.The photocatalytic performance of ZnO under UV light remained at 68%. It was observed that there was over 90% degration in ZnO-TiO2 thin films produced as a double layer at room temperature and annealed for 1 hour. It was observed that there was over 90% removal in ZnO-TiO2 thin films produced as a double layer at room temperature and annealed for 1 hour. Wettability measurements of the produced thin films were also made. It was observed that the ZnO thin film, which was produced at room temperature and annealed for 1 hour, and the TiO2 thin film, in which the anatase phase was formed, were hydrophilic.