Nano tozların sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of nano powders
Yazar: OĞUZHAN AVCIATA
Danışman: PROF. DR. CEMALETTİN YAMAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Üretim Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Bilim ve Teknoloji = Science and Technology ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering
Dizin: Fotokatalitik = Photocatalytic ; Hidrotermal sentez = Hydothermal synthesis ; Kaplama = Coating ; Nano yapı = Nano structure ; Nanokristaller = Nanocrystals ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Sentez = Synthesis ; Sol-jel yöntemi = Sol-gel method ; Titanyum dioksit = Titanium dioxide

Özet:
Nano boyutlu TiO2, çevresel arıtmada ve atık sulardaki zararlı kimyasalların parçalanmasında kullanılan ve en çok bilinen fotokatalistlerden birisidir. TiO2'in anataz, brukit ve rutil olmak üzere üç kristal fazı bulunmaktadır ve bunların içinden anataz form, pigment, gaz sensörü, katalizör ve çevresel arıtmada fotokatalizör olarak kullanımı ön plana çıkmaktadır.Titanyum dioksit (TiO2), çevresel arıtma ve enerji üretimi alanlarında köklü değişikliklerle gelişen teknolojilerde üzerinde en çok araştırma yapılan yarıiletken oksitlerden birisidir. Havadaki ve sudaki organik kirliliklerin uzaklaştırılmasında fotokalizör olarak kullanılabildiği gibi yine suyun iyonlarına ayrıştırılarak hidrojen elde edilmesine kadar fotokatalizör olarak oldukça geniş uygulamaları bulunmaktadır. Bu özelliklere sahip diğer maddelere göre fiyatının daha düşük olması, düşük zehirlilik, yüksek ısıya ve kimyasallara dayanma özelliklerinden dolayı kullanımı yaygındır. Ancak fotokatalist olarak görünür ışığa duyarlılığının düşük olması TiO2 in sınırlaycı özelliklerinden biridir. Birçok çalışmada TiO2 in görünür ışıktaki aktivitesini artırmak, elektronik ve yüzey yapısını iyileştirmek için soy metal katma, metal iyon yükleme, katyonik ve anyonik doplama gibi işlemler yapılmaktadır. Çalışmaların birçoğunda görünür ışık altında fotokatalitik etkisi artırılmıştır. Bu araştırmalarda temel olarak fotokatalitik, elektrokatalitik ve biyomedikal uygulamalar için nano yapıda titanyum dioksitin hazırlanması, belirli nanometrik bir yapı için yüzey kaplanmasında sol-jel yönteminin uygulanması esas alınan çalışmalar yapılmaktadır.Kataliz, katıldığı ortamdaki substratın kimyasal dönüşümünü hızlandıran ve bu dönüşüm esnasında kendisi değişmeyen maddedir. Bu dönüşümün ışık aracılığı ile gerçekleşmesi de fotokatalizlenmedir. Çeşitli katalistler olup, bunların değişik kullanım alanları vardır. Bunlardan en önemlisi heterojen kirleticilerin mevcut olduğu bir atık suyun temizlenmesidir. Bu durumda WO3, ZnO gibi metal oksitler iyi sonuçlar verir ancak TiO2'in diğerlerine göre şu avantajları vardır: 1- Kataliz işlemi çevre şartlarında meydana gelir. 2- Fotokatalizlenme esnasında ara ürün yoktur. 3- Substratların oksitlenmesi sonucu CO2 oluşur. 4- TiO2 ucuzdur ve verimi yüksektir. 5- Uygun yüzeylere uygulanabilir. 6- Atık suların toksitesini gidermede endüstri için çok önem taşır. Toz halindeki TiO2'in suya katılmasıyla veya bir yüzey üzerine kaplanması ile kirlilik özelliklerinin iyileştirilmesi gerçekleştirilebilir. Fotokatalizlenme ile sadece sudaki kirleticilerin ortadan kaldırılması ispatlanmamış aynı zamanda renk, koku, tat giderme, etkili bir şekilde bakteri ve virüslerin de ortadan kaldırılması başarılmıştır. Ireland ve arkadaşları tarafından yapılan bir çalışmada, içme suyundaki Escheria colini (E. Coli) etkili bir şekilde ortadan kaldırdıklarını gösterrmişlerdir.Bu çalışmada, fotokatalitik özelliğe sahip olan anataz formdaki TiO2, sol-jel yöntemi ile 90 °C de refluks altında 16 saat ve 500 °C ısıl işlemle 2 saat sonunda iki adımda; hidrotermal yöntemle 210 °C de 1.5 saat sonunda tek adımda nano kristal boyut mertebesinde toz halinde sentezlendi. Sentezlenen malzemenin fiziksel ve kimyasal özellikleri XRD, SEM, BET, TEM, UV, FT-IR ve AFM ile karakterize edildi. Sentezlenen malzemenin fotokatalitik özellikleri, paslanmaz çelik tel kafeslerin yüzeyi daldırma yöntemi ile kaplanarak sirkülasyonlu bir akvaryum ortamında 1 ppm lik alizarin ve metilen mavi tekstil boyar madde çözeltilerinin UV ışık altında parçalanabilirliği araştırıldı. Belirli zaman aralıklarında alınan örneklerin analizi sonucunda, alizarin ve metilen mavi tekstil boyar madde çözeltilerinin UV ışık altında parçalandığı ve konsantrasyonunun azaldığı gözlendi.Anahtar kelimeler: Sol-jel, hidrotermal, sentez, nano, TiO2, fotokatalitik, kaplama.

Abstract:
Nanocrystalline TiO2, one of the most popular photocatalyst, have long been investigated in environmental purification, decomposition of dyes in wastewater. Anatase, brookite and rutile are three crystalline forms of titania. Among these crystalline forms, anatase TiO2 is attracting more attention for its vital use as pigments, gas sensors, catalysts, photocatalysts in response to its application in environmental related problems of pollution control and photovoltaics.Titanium dioxide (TiO2) is one of the most researched semiconductor oxides that has revolutionised Technologies in the field of enviromental purification and energy generation. It has found extensive applications in heterogenous photocatalysis for removing organic pollutants from air and water and also in hydrogen production from photocatalytic water-spliting. Its use popular because of its low cost, low toxicity, high chemical and thermal stability. But one of the critical limitations of TiO2 as photocatalyst is its poor response to visible light. Several attempts have been made to modify the surface and electronic structures of TiO2 to enhance its activity in the visible light region such as noble metal depositions, metal ion loading, cationic and anionic doping and sensitisation. Most of the results improved photocatalytic performance under visible light irradiation. The overall goal was an in-depth study of an adaptation of the surface sol-gel process as a nanometer-precise method to prepare nanostructured titanium oxides for photocatalytic, electrocatalytic and bio-medical applications.Catalysis by definition, implicates a catalytic entity that participates and accelerates the chemical transformation of a substrate, itself remaining unaltered at the end of each catalytic cycle. Photocatalysis is basically the acceleration of a photoreaction by the presence of a catalyst. There are many types of catalyst, some act on very few substrates while some act on many substrates. The best way to cleanse a wastewater would be to use a photocatalysis process that can be effective on a multitude of contaminants or in other words a heterogeneous environment of contaminants. Metal oxides work well in this case. It is true that many oxides work well, WO3, and ZnO but in scientific studies it has been proven that TiO2, a wide band gap semiconductor, has an advantage over the others. The reasons that TiO2 does so well and is desired as an agent in remediation of wastewater is based on several factors; 1- The process occurs under ambient conditions. 2- The formation of photocyclized intermediate products, unlike direct photolysis techniques, is avoided. 3- Oxidation of the substrates to CO2 is complete. 4- The photocatalyst is inexpensive and has a high turnover. 5- TiO2 can be supported on suitable reactor substrates. 6- The process offers great potential as an industrial technology to detoxify wastewaters. Treatment of water can be accomplished by adding a powdered form of TiO2 to the water, or it can be immobilized on a substrate. If TiO2 is in solution then some sort of recovery system is necessary in order to reuse the catalyst. Photocatalysis has not only been proven to remove pollutants from water, but also nuisance color, taste and odor compounds. Tests have also proven TiO2 to effectively remove bacteria, and viruses from water supplies. A study by Ireland et. al. showed that TiO2 oxidation effectively removed Escheria coli (E. coli) from drinking water.In this study, photocatalytic nano anatase TiO2 particles were synthesized in powder form by sol-gel method at 90 °C under reflux for 16 hours and then heat treated at 500 °C for 2 hours in two steps. Besides photocatalytic nano anatase TiO2 particles were synthesized in powder form by hydrothermal method at 210 °C for 1.5 hours in one step. Chemical and physical properties of the synthesized powder were characterized by XRD, SEM, EDS, BET, TEM, FT-IR, AFM and UV devices. Photocatalytic properties of the synthesized powder were examined in a circulating aquarium filled with 1 ppm alizarin and methylene blue textile paint solutions under UV irradiation. Periodical UV spectrophotemetric analyzes showed that alizarin and methylene blue textile paint solutions have been degraded and their concentrations have decreased under UV irradiation by time.Keywords: Sol-gel, hydrothermal, synthesis, nano, TiO2, photocatalytic, coating.