ZnO esaslı katalizör üretimi: yapı şekil ve yüzey özelliklerinin fotokatalitik verim üzerine etkisi
ZnO based catalyst production: the effect of structure, shape and surface properties on the photocatalytic activity
Yazar: MEHMET KONYAR
Danışman: DOÇ. DR. KORAY ÖZTÜRK ; DOÇ. DR. HÜSEYİN CENGİZ YATMAZ
Gebze Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Seramik Mühendisliği = Ceramic Engineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Doğal ışık = Natural light ; Elektroseramik = Electroceramics ; Kloropestisit = Chloropesticide ; Spektrofotometre = Spectrophotometer

Özet:
Geniş bant aralığına sahip yarıiletkenlerden olan ZnO, toz formundan başlanarak iki farklı metod ile şekillendirilmiştir. Elde edilen plaka ve ağ yapılı ZnO'nun fotokatalitik aktiviteleri dört farklı kirletici molekülün parçalanmasıyla belirlenmiş ve katalizör şeklinin etkileri tartışılmıştır. İlk aşamada plaka şekilli katalizörler, şerit döküm yöntemiyle üretilmiştir. Saf ZnO'nun yanında, molce ZnO:TiO2 oranı 1:1 olan kompozit plaka yapısı da kıyaslama amacıyla üretilmiştir. İkinci aşamada replika metoduyla ağ yapılı ZnO üretilmiş ve etkinliği plaka yapısıyla kıyaslanmıştır. Üçüncü aşamada, ağ yapılı ZnO katalizörlerin etkinliğinin daha da arttırılması hedeflenmiştir. Bu amaç doğrultusunda önce yüzeyde hidroksil zenginleşmesi sağlanmıştır. Son olarak da, yüzeyde Ag2O fazı büyütülerek fotokatalitik etkinliğinde meydana gelen değişime bakılmıştır. Üretilen plaka ve ağ yapılı katalizörlerin her biri için TG-DTA, XRD ve SEM teknikleri ile yapısal karakterizasyon uygulanmıştır. 
Her bir ürün grubunun fotokatalitik verimlilikleri dört farklı kirletici molekül üzerinden tartışılmıştır. Remazol Red Brilliant F3B (RR 180), Acid Red 88 (AR88), 2,4-Diklorofenolik Asit (2,4-D) ve Enrofloksasin sulu çözeltileri hazırlanarak çözünmüş halde bulunan moleküllerin UVA veya görünür ışık altında parçalanma dereceleri tespit edilmiş ve ayrıca mineralizasyonu tartışılmıştır. Her bir kirletici kimyasal ve katalizöre göre uygun bir kinetik model yardımıyla bozunma hızları için kinetik hız sabitleri hesaplanmıştır. 
Deneyler neticesinde kendi kendini destekleyen plaka ve ağ yapıları başarıyla üretilmiştir. Saf ZnO plakalara yapılan TiO2 ilavesi ile verim artışı sinterleme sırasında ara faz oluşumu (spinel) olmasına rağmen TiO2'nin görünür ışık bölgesindeki fotokatalitik etkinliği dolayısıyla artış sağlanmıştır. Ağ yapılı ZnO katalizörlerin yüzey alanı plakalara göre fazla olduğundan katalitik etkinlikleri de kullanılan tüm organik kirleticilerin parçalanmasında daha fazla olmuştur. Son aşamada, ağ yapılı katalizörlerin yüzeylerinde saf su içinde UV ışığı altında hidroksil zenginleşmesi elde edilmiştir. Dolayısıyla yüzeylerin daha etkin davranması sağlanarak fotokatalitik aktivite arttırılmıştır. Yüzeyde büyütülen Ag2O fazı ise yapının duyarlılığını arttırarak ağ yapılı saf ZnO katalizörlerin etkinliklerini yapılan çalışma kapsamında en üst seviyeye çıkarmıştır.

Abstract:
ZnO, one of the wide band-gap semiconductors, was fabricated by using two different methods starting from its powder. The photocatalytic activity of the plate and reticulated ZnO were performed by using four different pollutants and the effect of catalyst shape was discussed. ZnO plates were produced by tape casting method at the first step. Composite plates, at the molar ratios of 1:1 (ZnO:TiO2), were produced in order to be compared by the pure ZnO catalysts. At the second stage, reticulated ZnO was produced by the replica method and its activity was compared by the plates. Surface functionalization of the reticulated ZnO catalysts was provided by hydroxyl enrichment and growing Ag2O on the ZnO surface. The change in photocatalytic activities was detected for all of the samples and discussed. Structural characterization was performed by using TG-DTA, XRD and SEM techniques for each of the samples that were obtained during the production.
Photocatalytic efficiencies of the final samples were evaluated experimentally by the degradation of four different pollutant molecules. Aqueous solutions of the Remazol Red Brilliant F3B (RR180), Acid Red 88 (AR88), 2,4 Dichlorophenolic acid (2,4-D) and Enrofloxacin (ENR) were prepared and degrees of degradation and mineralization were detected under UVA or visible light.  Kinetic constants were calculated by using the proper kinetic model for each catalyst and pollutant in order to discuss the degradation rates.
All types of self-supporting catalysts were produced successfully at the end of all experiments. Addition of TiO2 yielded an increase in photocatalytic activity of the plate catalysts even to the formation of a binary spinel phase (Zn2Ti3O8) due to the photocatalytic activity of TiO2 under visible light. The production of reticulated ZnO catalysts provided an increased surface area. Therefore, an increase for the photocatalytic degradation of the all organic pollutant solutions was obtained for the reticulated catalysts when they were compared by the plates. Surface functionalization of the reticulated ZnO catalysts increased the decolorization rates by generating hydroxyl enrichment on the reticulated ZnO surfaces. Additionally, growing Ag2O crystals on the reticulated ZnO surface increased the activity of the pure ZnO surface and hence yielded photocatalytic efficiency increased to the highest degree.