PAN-rGo-TiO2 ve PAN-rGO-ZnO nanokompozit fotoelektrotların sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal, termal ve fotokorozyon özelliklerinin incelenmesi
Synthesis and characterization of PAN-rGo-TiO2 and PAN-rGO-ZnO nanocomposite photoelectrodes, and investigation of its electrochemical, thermal, and photocorrosion properties
Yazar: HATİCE ÖRNEK
Danışman: PROF. DR. DERYA TEKİN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Amaç: Nano-yapılı TiO2'nin UV ışık altında aktif rol oynadığı bilinmektedir. Anataz (bant aralığı enerjisi 3,2 eV, 388 nm dalga boyuna karşılık gelir) fazına sahip TiO2 fotokatalizörü atık suyu gidermek, havayı arıtmak ve antibakteriyel olarak kullanılmaktadır. Yarıiletken TiO2 geçiş metal oksiti, ekonomik olması, toksik olmaması ve kimyasal ve termal olarak dirençli olması nedeniyle fotokatalitik aktiviteler için araştırılmaktadır. Heterojen yapılı iletken polimerler, organik/inorganik yapıya sahip kompozit yapıları için son birkaç yılda araştırmacıların dikkatini çekmektedir. ZnO'in fotokatalitik uygulamalar için endüstriyel uygulamalarını UV bölgede geniş bant boşluk enerjisi (3.37 eV) ve ışık absorpsiyon kabiliyetini azaltan geniş eksiton bağlanma enerjisi (60 meV) ile düşük fotokatalitik verimliliğe neden olan fotojenere yük taşıyıcıların rekombinasyonunu sağlamaktadır. UV ışık ışıması altında fotostabilitesinde ve geri dönüşüm sürecinde yüksek miktarda azalmasıyla fotokorozyon, fotokatalizör olarak uygulamasını sınırlar. Karbon esaslı malzemelerin ZnO ile hibritlenmesi sonucunda fotokatalitik aktiviteyi saf ZnO'e kıyasla daha iyi sonuçlar elde edilmiştir. Son yıllarda kullanılan bir iletken polimer türü olan polianilin (PANI), elektrik iletkenliğinin yüksek olması, düşük maliyeti ve sentezinin kolay olması nedeniyle tercih edilmektedir. Hazırlanan kompozit malzemeler elektrokimyasal ölçümler ve fotokatalitik aktivitede kullanılmaktadır. Bu çalışmada, geniş bant aralığına sahip TiO2 ve ZnO yarıiletkenleri iletken bir polimer türü olan polianilin (PANI) ve redüklenmiş grafen oksit (rGO) ile destekleyerek fotokatalitik aktivitenin artırılması amaçlanmaktadır. 
Yöntem: TiO2 ve ZnO nanopartikülleri sol-jel yöntemi ile sentezlenirken, kompozit yapılar kimyasal oksidasyon yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Hazırlanan kompozit malzemeler SEM, XRD ve FTIR ile karakterize edildi. Termal analiz için Termal Gravimetrik Analiz (TGA-DSC) cihazı kullanıldı.  Kompozit malzemelerin fotokatalitik aktivitesi Rhodamine B boyar maddesi üzerinde 120 dakikalık süre içerisinde UV spektroskopisi kullanılarak belirlendi.
Bulgular: SEM-EDS analizi sonucunda, rGO ve PANI katkılanması ile aglomera olan nanopartiküllerin elektron-boşluk çiftlerinin rekombinasyonunu engellediği bundan dolayı fotokatalitik aktiviteyi artırdığı belirlendi. XRD analizinde, yapılara ait kırınım pikleri gözlemlendi ve her bir yapının JCPDS kartları ile uyum gösterdiği belirlendi. Yapılan FTIR analizleri sonucunda, Ti-O-O, C=N, C=C, N-H, Zn-O, C-O ve O-H bağlarının varlığını kanıtladı. PANI ve rGO katkılı nanopartiküllerin saf nanopartiküllere göre daha iyi fotokatalitik aktivite gösterdiği belirlenmiştir. Bunun nedeni ise, grafen bazlı katkıların elektron-boşluk çiftlerinin rekombinasyonunu azaltarak yüzeyde daha aktif alanların oluşmasıdır. 
Sonuçlar: Geniş bant aralığına sahip yarıiletkenler katkılandığında aglomerasyonun azaldığı ve fotokatalitik aktivitenin arttığı belirlendi.

Abstract:
Purpose: It is known that nanostructured TiO2 plays an active role under UV light. TiO2 photocatalyst with anatase phase is used to remove wastewater, purify the air, and as an antibacterial. The semiconductor TiO2 transition metal oxide is being investigated for photocatalytic activities because it is economical, non-toxic, and chemically and thermally resistant. Heterogeneous conductive polymers have attracted the attention of researchers in the last few years for their composite structures with organic/inorganic structures. Polyaniline (PANI), a type of conductive polymer used in recent years, is preferred due to its high electrical conductivity, low cost, and ease of synthesis. The prepared composite materials are used in electrochemical measurements and photocatalytic activity. This study aims to increase the photocatalytic activity by supporting wide band gap TiO2 and ZnO semiconductors with polyaniline (PANI), a conductive polymer type, and reduced graphene oxide (rGO).
Method: While TiO2 and ZnO nanoparticles were synthesized by the sol-gel method, composite structures were synthesized using the chemical oxidation method. The prepared composite materials were characterized by SEM, XRD, and FTIR. Thermal Gravimetric Analysis (TGA DSC) device was used for thermal analysis. The photocatalytic activity of the composite materials was determined using UV spectroscopy on Rhodamine B dyestuff within 120 minutes.
Findings: As a result of SEM-EDS analysis, it was determined that the nanoparticles agglomerated with the doping of rGO and PANI prevented the recombination of electron-hole pairs and therefore increased the photocatalytic activity. In the XRD analysis, diffraction peaks of the structures were observed and it was determined that each structure was compatible with the JCPDS cards. As a result of FTIR analyses, the existence of Ti-O-O, C=N, C=C, N-H, Zn-O, C-O, and O-H bonds was proven. It was determined that PANI and rGO-doped nanoparticles showed better photocatalytic activity than pure nanoparticles. The reason for this is that graphene-based additives reduce the recombination of electron-hole pairs, creating more active areas on the surface.
Results: It was determined that agglomeration decreased and photocatalytic activity increased when wide band gap semiconductors were doped.