Farklı yarı iletken nanoparçacık katkılı CoO tabanlı heterojeksiyon kompozit fotoelektrotların hidrotermal yöntemle üretimi, karakterizasyonu ve fotoelektrokatalitik aktivitelerinin belirlenmesi
Production, characterization and determination of photoelectrocatalytic activities of different semiconductor nanoparticle doped CoO based heterojection composite photoelectrodes by hydrothermal method
Yazar: MEHMET KORAY ÇELİK
Danışman: PROF. DR. TANER TEKİN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Amaç: Küresel ölçekte artan enerji ihtiyaçlarına ilaveten çevre kirliliği problemlerine çözüm bulmak için gerçekleştirilen araştırmalar son yıllarda yaygın olarak artmış durumdadır. Bu ihtiyaçları karşılamak için kullanılanteknolojilerin en etkililerinden biri olan fotoelektrokataliz, yeşil teknolojilere olan ilgiyi artırarak fotokatalitik ve elektrokatalitik yöntemlere kıyasla kirleticiler üzerinde oldukça etkin bir giderim verimliliği ve etkili H2 üretimi göstermektedir. Bu nedenle bu çalışma kapsamında FEK teknolojisi için oldukça etkin olan CoO tabanı üzerine çeşitli metal oksitlerle  (Bi2O3, SnO, ZnO, CdO, NiO ve Ag2O) katkılama işlemi yapılarak elde edilen fotoelektrotların fotoelektrokatalitik (FEK) aktivitelerinin artırılması amaçlanmaktadır.  
Yöntem: Bu tez kapsamında üretilen Bi2O3, SnO, ZnO, CdO, NiO ve Ag2O katkılı CoO fotoelektrotlar hidrotermal yöntem ile sentezlenmiş ve doktor blade yöntemi kullanılarak ITO üzerine kaplaması gerçekleştirilmiştir. Sentezlenen fotoelektrotların karakterizasyon araştırmaları için SEM-EDS, TEM, XRD, XPS, FTIR ve UV-Vis analizlerinden, FEK aktivitelerinin incelenmesinde metil orange boyarmaddesi üzerindeki gideriminden faydalanılmıştır. FEK denemelerde, 0,1M Na2SO4 ve 20 ppm metil orange içeren 400 ml çözelti, 44W/m2'lik ışık şiddeti, 0,6V'luk çalışma voltajı ve 25°C sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir.
Bulgular: Hidrotermal sentez yöntemi kullanılarak sentezlenen CoO fotoelektrotlarının krizantem çiçeği benzeri yapısının başarıyla sentezlendiği SEM görüntüleriyle kanıtlanmıştır. Katkılanan nanoparçacıkların CoO fotoelektrotunun krizantem çiçeği benzeri yapraklarına tutunduğu TEM görüntüleriyle ve kimyasal bağ kurduğu FTIR, XRD ve XPS analizleri ile belirlendi. Ayrıca, CoO fotoelektroduna Bi2O3, SnO, ZnO, CdO, NiO ve Ag2O metal oksit nanoparçacıklarının katkılanmasıyla bant aralığı enerjilerinde değişiklikler meydana gelmiştir. UV-Vis sonuçlarına göre, CoO, CoO/Bi2O3, CoO/ZnO, CoO/NiO, CoO/Ag2O, CoO/SnO ve CoO/CdO fotoelektrotlarının bant aralıkları sırasıyla, 2,78, 2,74, 2,94, 3,05, 2,45, 3,01 ve 2,74 eV olarak belirlendi. FEK aktivite denemelerinde 120 dakikalık süre içerisinde CoO, CoO/Bi2O3, CoO/ZnO, CoO/NiO, CoO/Ag2O, CoO/SnO ve CoO/CdO fotoelektrotlarının FEK giderimi sırasıyla %56,71, %42,16, %65,84, %67,66, %68,34 %58,39 ve %62,03 olarak belirlendi. CoO/Ag2O fotoelektrodu %68,34'lük FEK giderimle en iyi aktiviteyiyi gösterdi. 
Sonuç: Bu çalışmada kolay ve ekonomik olan hidrotermal yöntem kullanılarak krizantem çiçeği benzeri çeşitli nanoparçacık katkılı CoO esaslı fotoelektrotlar başarılı bir şekilde sentezlendi. Karakterizasyon çalışmaları krizantem çiçeği benzeri CoO yapısının ve metal oksitlerin varlıkları kanıtladı. Yapılan metal oksit katkılarının krizantem çiçek yapılı CoO'nun yapraklarına tutunması ile aktif yüzey alanını daha fazla etkin hale getirdiğini ve FEK denemelerde üstün aktivite verimliliği göstererek çalışmanın enerji üretimi ve kirlilik giderimi için umut vaat ettiğini ortaya koydu.

Abstract:
Purpose: In addition to the increasing energy needs on a global scale, research to find solutions to environmental pollution problems has increased widely in recent years. Photoelectrocatalysis (PEC), one of the most effective technologies used to meet these needs, increases the interest in green technologies and shows a very effective removal efficiency on pollutants and effective H2 production compared to photocatalytic and electrocatalytic methods. Therefore, within the scope of this study, it aims to increase the photoelectrocatalytic activities of the photoelectrodes obtained by doping with various metal oxides (Bi2O3, SnO, ZnO, CdO, NiO ve Ag2O) on the CoO base, which is very effective for PEC technology.
Method: Bi2O3, SnO, ZnO, CdO, NiO and Ag2O-doped CoO photoelectrodes produced within the scope of this thesis were synthesized by hydrothermal method and coated on ITO using the doctor blade method. SEM-EDS, TEM, XRD, XPS, FTIR, and UV-Vis analyses were performed for characterization research of the synthesized photoelectrodes, and the degradation of methyl orange dye was used to examine its photoelectrocatalytic activities. Photoelectrocatalytic experiments were carried out with 400 ml of solution containing 0.1M Na2SO4 and 20 ppm methyl orange, at a light intensity of 44W/m2, an operating voltage of 0.6V, and a temperature of 25°C.
Findings: It has been proven by SEM images that the chrysanthemum flower-like structure of CoO photoelectrodes synthesized using the hydrothermal synthesis method has been successfully synthesized. It was determined by TEM images that the doped nanoparticles adhered to the chrysanthemum flower-like petals of the CoO photoelectrode and by FTIR, XRD, and XPS analysis that they formed a chemical bond. Additionally, changes in the band gap energies occurred by doping Bi2O3, SnO, ZnO, CdO, NiO, and Ag2O metal oxide nanoparticles to the CoO photoelectrode. According to UV-Vis results, the band gaps of CoO, CoO/Bi2O3, CoO/ZnO, CoO/NiO, CoO/Ag2O, CoO/SnO, and CoO/CdO photoelectrodes are 2.78, 2.74, 2.94, 3, respectively. They were determined as 05, 2.45, 3.01 and 2.74 eV. In photoelectrocatalytic activity experiments, photoelectrocatalytic removal of CoO, CoO/Bi2O3, CoO/ZnO, CoO/NiO, CoO/Ag2O, CoO/SnO, and CoO/CdO photoelectrodes within 120 minutes was 56.71%, 42.16%, 65.84%, respectively. , 67.66%, 68.34%, 58.39% and 62.03%. CoO/Ag2O photoelectrode showed the best activity with photoelectrocatalytic removal of 68.34%.
Results: In this study, various nanoparticle-doped CoO-based photoelectrodes similar to chrysanthemum flowers were successfully synthesized using the easy and economical hydrothermal method. Characterization studies proved the existence of chrysanthemum flower-like CoO structure and metal oxides. It was revealed that the metal oxide additives made the active surface area more effective by adhering to the leaves of the chrysanthemum flower-structured CoO and showed superior activity efficiency in photoelectrocatalytic experiments, showing promise for energy production and pollution removal.