Gözenekli bazı nano malzemelerin akışkan (gaz/sıvı) depolama potansiyelleri üzerine AR-GE çalışmaları
R&D studies on fluid (gas/liquid) storage potential of some porous nanomaterials
Yazar: GÖZDE BAYAZİT SEKİTMEN
Danışman: PROF. DR. SEMRA İDE
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve Nanotıp Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, günümüzün önemli ihtiyaçlarından biri olan enerji depolamaya ve çevre kirliliği sorunlarına çözüm olma potansiyeline sahip, gözenekli doğal ve yapay nano malzemelerde akışkanların depolanması konusu çalışılmıştır. Kazakistan Maitobinsky bölgesinden çıkarılan doğal zeolit çeşitleri, ülkemizde yetişen tavuk, deve kuşu ve güvercin yumurtalarının kabukları ile, 410-450-500 oC  sıcaklıklarda kimyasal yollarla sentezlenen, mikro ve nano ölçekli büyüklüklere sahip gözenekli metal oksit malzemeler (SiO₂, TiO₂, MnO₂ ve CeO₂) bu tez çalışması kapsamında incelenmiştir. Sentez sıcaklığı farklılıklarının metal oksit nano yapılar üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Örneklerin, ilk aşamada nano morfolojileri belirlenmiş, ardından akışkan depolama için uygun morfolojilere sahip olanların, H2, CO2, N2 ve H2O tutma potansiyelleri incelenmiştir. Analizler sonucunda, incelenen malzemelerin, 1-3B basit morfolojilerinin yanında; çekirdek-kabuk, fraktal, eliptik silidir gibi karmaşık yapı modellerine sahip olabildikleri gösterilmiştir. Bu çalışmalar, odaklanılan gözenekli malzemelerin; küresel ısınmanın baş nedenlerinden olan metanı, çevre kirliliğinde önemli rol oynayan karbon temelli gazları, içme sularında karşılaşılan toksik kimyasalları (arsenik, cıva, krom, kurşun, siyanür, nikel vb.), tutma ve depolama özelliklerine sahip olabileceklerine işaret etmektedir. Ayrıca, bu malzemelerin enerji depolama amaçlı olarak da kullanılabilecekleri ve hidrojen depolama özelliklerinin var olduğu bu tez kapsamında yapılan çalışmalar ile gösterilmiştir. Bu bağlamda çalışılan malzemelerin akışkan tutma özellikleri,  literatürde ilk kez elektron yoğunluğu farkına kadar hassas yapısal bulgular barındıracak şekilde, X-Işını saçılma (SAXS: Küçük Açı X-Işını Saçılması ve WAXS: Geniş Açı X-Işını Saçılması) yöntemleri ile ağırlıklı olarak belirlenmiştir. Gözenekli yapılarda depolanan akışkan miktarları, gözenek elektron yoğunluğu farkı-yüzey alanı değişimleri ile ilişkilendirilmiş ve üç boyutlu olarak ab-initio yöntemler ile görselleştirilmiştir. SAXS yöntemi ile, literatürde ilk kez bu çalışmada malzemelerin akışkan depolama potansiyelleri, jirasyon yarıçapları mertebesinde belirlenmiştir. Buna göre, klinoptilolit yapıda olduğu belirlenen doğal zeolitin  hacimce en fazla  % 17,2 azot, %7,1 hidrojen ve %20,7 su tutma potansiyeli olduğu sonucunda varılmıştır. Yumurta kabukları da benzer şekilde incelendiğinde, tavuk, güvercin ve deve kuşu yumurtası kabuklarının sırasıyla  hacimce en fazla hidrojen tutma potansiyellerinin  % 24,0 % 20,3 ve % 16,9 olduğu anlaşılmıştır. Metal oksitlerden 410-500°C 'de sentezlenen TiO₂'lere odaklanılmış ve CO₂, H₂, su buharı depolama potansiyelleri olduğu sonucuna varılmıştır. Hidrojen depolama potansiyeli en fazla bulunan örnek ise hacimce %  24,9 ile 410 °C'de sentezlenen TiO₂ olmuştur. Bu bulgular Fourier Dönüşümlü Kırmızı Altı (FTIR) spektrometresi ve taramalı elektron mikroskobu (SEM)  ölçümleri ile de moleküler ve mikroskobik ölçekte desteklenmiştir. Bu çalışmalar sonucunda, SAXS ve WAXS yöntemleri kullanılarak eş zamanlı incelen örneklerin endüstriyel uygulamalar için yapısal yoğunluk dalgalanmaları takip edilebilmiştir. Ayrıca bu yöntemle, malzemelerin üretiminde ve kullanım öncesinde standardizasyon ve kalite çalışmalarının da yapılabileceği vurgulanmıştır.

Abstract:
In this thesis, the storage of fluids in porous natural and artificial nanomaterials, which have the potential to be a solution to energy storage and environmental pollution problems, which is one of the essential needs of today, is examined. Varieties of natural zeolite extracted from the Maitobinsky region of Kazakhstan, the shells of chicken, ostrich, and pigeon eggs are grown in our country, and porous metal oxide materials (SiO₂, TiO₂, MnO₂ ve CeO₂) with micro and nano-scale sizes, which are chemically synthesized at temperatures of 410-450-500 °C, were investigated within the scope of this thesis. The effects of synthesis temperature differences on metal oxide nanostructures were determined. In the first stage, the nano morphologies of the samples which have suitable morphologies for fluid storage were determined, then the H₂, CO₂, N₂, and H₂O sorption potentials of these samples were examined. As a result of the analyses, besides the 1-3D simple morphologies of the examined materials; it has been shown that they can have complex structure models such as a core-shell, fractal, and elliptical cylinder. It indicates that the porous materials focused on these studies; can have the properties of sorbing and storing methane, which is one of the main causes of global warming, carbon-based gases that play an important role in environmental pollution, and toxic chemicals (arsenic, mercury, chromium, lead, cyanide, nickel, etc.) which are found in drinking water. In addition, it has been shown by the studies carried out within the scope of this thesis that these materials can be used for energy storage and have hydrogen storage properties. In this context, the fluid-holding properties of the studied materials have been determined for the first time in the literature by X-Ray scattering (SAXS: Small Angle X-Ray Scattering and WAXS: Wide Angle X-Ray Scattering) methods, including sensitive structural findings up to the electron density difference. The amount of stored fluid in the porous structures was associated with the difference between pore and electron density, surface area changes, and visualized in three dimensions by ab-initio methods. For the first time in the literature, the fluid storage potentials of the materials were determined in the range of their radius of gyration (Rg), with the SAXS method. Accordingly, it was concluded that the natural zeolite, which was determined to be in clinoptilolite structure, had a maximum of 17.2% nitrogen, 7.1% hydrogen, and 20.7% water holding potential by volume. When the egg shells were examined similarly, it was understood that the chicken, pigeon, and ostrich egg shells had respectively 24.0 %  20,3 %, and 16.9 % max. hydrogen storage potentials by volume. Focused on TiO₂ synthesized at 410-500°C and was concluded that they have CO₂, H₂, and water vapor storage potential.  The highest hydrogen storage potential was determined TiO₂ sample with 24.9% by volume, which was synthesized at 410°C. These findings were supported by Fourier Transform Infrared (FTIR) spectrometry and scanning electron microscopy (SEM) measurements at molecular and microscopic scales. As a result of these studies, structural density fluctuations for industrial applications of simultaneously examined samples could be traced with SAXS and WAXS methods. Furthermore, it was emphasized that standardization and quality studies could be carried out with this method in the production of materials and before use.