Siyah fosfor temelli yeni nesil nanomalzemelerin yapay fotosentez ve biyomolekül tayinindeki uygulamaları
Applications of artificial photosynthesis andbiomolecule determination of black phosphorus basednew generation nanomaterials
Yazar: GİZEM YANALAK
Danışman: PROF. DR. İMREN HATAY PATIR
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı / Nanoteknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Biyokimya = Biochemistry ; Enerji = Energy ; Kimya = Chemistry
Dizin: Elektrokimyasal sensörler = Electrochemical sensors ; Fosfor = Phosphorus ; Fotokatalitik = Photocatalytic ; Fotosentez = Photosynthesis ; Hidrojen üretimi = Hydrogen production

Özet:
Yapay fotosentez, kimyasal bağlarda güneş enerjisinin toplanması ve depolanmasıyla enerji krizi ve çevresel problemlerin çözülmesinde en önemli yaklaşımlardan birisidir. Güneş enerjisi kimyasal enerjiye dönüştürüldüğünden, suyun H2 ve O2'e ayrıştırılması yapay fotosentez olarak adlandırılmaktadır. Yeşil ve sürdürülebilir kimya alanında suyun ayrıştırılmasından hidrojen üretiminde uygun band aralığına sahip, değerli metal içermeyen, kararlı ve etkili bir fotokatalizör arayışı önemli bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Son yıllarda siyah fosfor (BP), ayarlanabilir geniş band aralığı (0,3 eV-2,1 eV), eşsiz tabaka yapısı, yüksek yük-taşıyıcı hareketliliği ve anizotropik elektronik özellikleri sayesinde malzeme bilimi alanında 2D yarı iletken olarak oldukça dikkat çekmektedir. Bunun yanında BP'nin mezoporoz grafitik karbon nitrür (mpg-CN) ile birlikte kullanıldığı hibrit malzemelerde, bu yarı iletken malzemeler arasında gerçekleşen arayüzey etkileşimi sayesinde etkili yük transferinin sağlandığı ve dolayısıyla fotokatalitik performansın arttığı gözlenmiştir. Ancak literatürdeki çalışmalar incelendiğinde, mpg-CN/BP hibrit fotokatalizör sisteminin suyun ayrıştırılmasından hidrojen üretim veriminin arttırılması için yardımcı katalizörlere ihtiyaç olduğu görülmektedir. Pahalı ve nadir bulunan Pt'e alternatif olarak yine 2D yapıda yarı iletkenler olan molibden ve tungsten metal sülfürlerin (MS2, M: Mo, W) oldukça iyi birer yardımcı katalizörler oldukları bilinmektedir. Buradan hareketle bu tez kapsamında mpg-CN/BP nanohibrit yapısının fotokatalitik aktivitesinin arttırılması için öncelikle mpg-CN/BP nanohibritinin hazırlanması ve daha sonra da MoS2 yardımcı katalizörünün elde edilen nanohibrite entegrasyonu ile suyun ayrıştırılmasından hidrojen üretiminde yüksek fotokatalitik etkinlik göstereceği öngörülen mpg-CN/BP/MoS2 yapısında yeni nesil hibrit fotokatalizörlerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca literatürde MoS2 bileşiklerine geçiş metallerinin katkılanması ile hidrojen üretim performanslarının arttığı görülmüştür. Bu nedenle bu tez kapsamında mpg-CN/BP/MoS2-Y (Y: Ni Co) yapısında hazırlanacak olan hibrit katalizörlerin de fotokatalitik hidrojen üretim aktivitelerinin araştırılması hedeflenmiştir. Bu bağlamda tez kapsamında mpg-CN, BP, mpg-CN/BP, mpg-CN/MoS2, mpg-CN/MoS2-Y (Y: Ni, Co), BP/MoS2, BP/MoS2-Y (Y: Ni, Co), mpg-CN/BP/MoS2, mpg-CN/BP/MoS2-Y (Y: Ni, Co) olarak 12 farklı nanomalzeme sentezlenmiş ve görünür bölge ışığı altında fotokatalitik hidrojen üretim aktiviteleri incelenmiştir.

Ayrıca son yıllarda, nanoteknoloji alanındaki gelişmelerin de sisteme dahil olmasıyla dizayn edilen BP temelli nano malzemelerin, biyomolekül tayini için elektrokimyasal sensör tasarımında kullanımı önem arz etmektedirler. Tez kapsamında, yukarıda bahsedilen nanomalzemelerin, biyomolekül, tayini (parasetamol, epinefrin, dopamin, askorbik asit, ürik asit, glikoz) elektrokimyasal yöntemler kullanılarak incelenmiştir. Sentezlenen nanomalzemeler, üç elektrotlu sistemlerde çalışılmıştır. Hazırlanan sensörlerin elektrokimyasal cevapları, girişim yapan maddelerin etkileri, madde miktarı, konsantrasyon, pH etkisi, kararlılık, tekrarlanabilirlik, gözlenebilme sınırı ve gözlenebilme sınırı gibi parametreleri test edilerek optimize edilmiştir. 

Bu tez çalışması sonucunda fotokatalitik hidrojen üretiminde ve elektrokimyasal tekniklerle farklı biyomoleküllerin sensör tayini olarak her iki uygulama için farklı yaklaşımlarla tasarlanan mpg-CN, BP, mpg-CN/BP, mpg-CN/MoS2, mpg-CN/MoS2-Y (Y: Ni, Co), BP/MoS2, BP/MoS2-Y (Y: Ni, Co), mpg-CN/BP/MoS2, mpg-CN/BP/MoS2-Y (Y: Ni, Co) nanomalzemelerin enerji ve sensör alanında ileriye dönük yapılacak çalışmaları destekleyeceği düşünülmektedir.

Abstract:
Artificial photosynthesis is one of the most important approaches to solve the energy crisis and environmental problems by collecting and storing solar energy in chemical bonds. Since solar energy is converted to chemical energy, the splitting water into H2 and O2 is called artificial photosynthesis. In the drive toward green and sustainable chemistry, exploring efficient and stable, metal-free photocatalysts with proper band gap for the splitting of water to hydrogen remains a big challenge. In the field of green and sustainable chemistry, research into a stable and effective photocatalyst with appropriate band gap, precious metal-free, from the splitting water is an important problem. In recent years, Black Phosphorus (BP) has been attracting the attention as a 2D semiconductor in the field of materials science with its adjustable wide band range (0.3 eV-2.1 eV), unique layer structure, high carrier mobility and anisotropic electronic properties. In addition, in hybrid materials which BP is used together with mpg-CN, it is observed that effective charge transfer is achieved owing to the interfacial interaction between these semiconductor materials and thus photocatalytic performance is increased. However, when the studies in the literature are examined, it is seen that the mpg-CN/BP hybrid photocatalyst system requires cocatalysts to increase hydrogen production efficiency from water splitting. 2D semi-conductor molybdenum and tungsten metal sulfides (MS2, M: Mo, W) are known good cocatalyst as an alternative to the high-cost and limited Pt. Therefore, in this thesis, in order to increase the photocatalytic activity of the mpg-CN/BP nanohybrid, will be prepared and then new generation hybrid photocatalyst will be developed in mpg-CN structure which predicted enhanced photocatalytic activity in hydrogen evolution from water splitting with the integration of nanohybrid obtained from MoS2 cocatalysts. In addition, it has been observed in the literature that hydrogen production performances increase with the addition of transition metals to MoS2 compounds. For this reason, within the scope of this thesis, it is aimed to investigate the photocatalytic hydrogen production activities of hybrid catalysts to be prepared in the structure of mpg-CN/BP/MoS2-Y (Y: Ni Co). In this context, in this thesis mpg-CN, BP, mpg-CN/BP, mpg-CN/MoS2, mpg-CN/MoS2-Y (Y: Ni, Co), BP/MoS2, BP/MoS2-Y (Y: Ni, Co), mpg-CN/BP/MoS2, mpg-CN/BP/MoS2-Y (Y: Ni, Co) 12 different nanomaterials were synthesized and their photocatalytic hydrogen production activities were studied in the TEOA electron donor mediator and under the visible light illumination. 
Additionally, in recent years, BP-based nanomaterials designed with the inclusion of developments in the field of nanotechnology are important in the determination of biological materials using electrochemical sensors. Within the scope of the thesis, the above-mentioned nanomaterials will be used for biomolecule determination (paracetamol, epinephrine, dopamine, ascorbic acid, uric acid, glucose, and hydrogen peroxide) by using electrochemical methods. The synthesized nanomaterials have been studied in three-electrode systems. The electrochemical response of the prepared sensors were investigated with parameters such as effects of interfering substances, amount of substance, concentration, effect of pH, stability, repeatability, limit of observability, the limit of determination under optimum conditions.
The data obtained as a result of this thesis of study were carried out in photocatalytic hydrogen production and sensor determination of different biomolecules by electrochemical techniques. Designed with different approaches in both applications, mpg-CN, BP, mpg-CN/BP, mpg-CN/MoS2, mpg-CN/MoS2-Y (Y: Ni, Co), BP/MoS2, BP/MoS2-Y (Y: Ni, Co), mpg-CN/BP/MoS2, mpg-CN/BP/MoS2-Y (Y: Ni, Co) nanomaterials are thought to support future studies in the field of energy and sensors.