Dikarboksilik asit organik bağlayıcılar içeren metal organik kafes yapıların sentezi ve gaz sensör özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of metal organic framework structures containing dicarboxylic acid organic linkers and investigation of their gas sensor properties
Yazar: GÜNSELİ GÜNEY
Danışman: DOÇ. DR. SEMİH GÖRDÜK ; DOÇ. DR. İLKE GÜROL
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Anorganik Kimya Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya = Chemistry
Dizin: Anorganik kimya = Inorganic chemistry ; Metal organik kafesler = Metal–organic frameworks ; Sensörler = Sensors

Özet:
Artan teknoloji ile beraber yeni kimyasal madde sentezine ve özelliklerinin incelenip, uygulama alanları için kullanılabilirliğine ihtiyaç duyulmaktadır. Yeni bir malzeme sınıfı olan metal organik kafes yapılar (MOF) veya gözenekli koordinasyon polimerleri nanogözenekliliğe sahip olup adsorpsiyon kapasiteleri yüksek olması ve kimyasal dayanıklılığı, kararlılığı sayesinde ilgi çekmektedir ve birden çok uygulama alanında kullanımına sahiplerdir. Bu uygulama alanlarından biri olan sensör teknolojileri, hedef moleküllerin ortam havasına yayılmadan önce bile düşük konsantrasyonlarda algılama yetenekleri sayesinde uçucu organik bileşiklerin insan ve çevre sağlığı üzerinde oluşabilecek zararlı etkilerinin önüne geçilmesi beklenmektedir.
Bu kapsamda hazırlanan tez çalışmasında, MOF yapıları kullanılarak SAW sensörler ile uçucu organik bileşiklerin (UOB) tespiti araştırılmıştır. Tez çalışması 2 kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısımda farklı geçiş metali içeren 2-aminotereftalik asit ve 2,6-piridin dikarboksilik asit organik bağlayıcılı 6 adet MOF yapısı; Bakır(II) esaslı MOF (1) ve MOF (2), Zirkonyum(IV) esaslı MOF (3) ve MOF (4), Nikel(II) esaslı MOF (5) ve Kadmiyum(II) esaslı MOF (6) sentezleri gerçekleştirildi. MOF yapılarının karakterizasyonu elementel analiz, FT-IR, toz XRD, RAMAN, UV-DRS, SEM, EDS, TGA teknikleri kullanılarak karakterize edildi. Tez çalışmasının ikinci kısmında, MOF yapıları kütleye duyarlı sensör olan SAW sensörü üzerine damlatma metodu ile kaplandı ve kontrollü laboratuvar koşulları altında 7 ayrı konsantrasyona sahip 10 farklı UOB analitlerine (izovaleraldehit, diasetil, 2-pentanon, n-bütiraldehit, aseton, n-hekzan, kloroform, metil salisilat, sek-bütilamin, etil bütirat) ve neme karşı ölçümleri gerçekleştirildi. Nemsiz ortamda UOB'ler saf gaz olarak ve nemli ortam (%30, %50 ve %66-70-80) koşullarında ölçümlere tabi tutuldu. MOF yapıları kaplı SAW sensörlerin UOB analitleri seçicilikleri ve hassasiyetleri araştırıldı. İzovaleraldehit ve metil salisilat analitlerine karşı tepki göstermeyen MOF yapıları, etil bütirat, n-hekzan, aseton, 2-pentanon ve kloroforma kayda değer yanıt verirken, düşük tespit limitlerinde nem ve etil bütirata karşı seçici davrandıkları görüldü. En düşük tespit limiti neme karşı 6,03 ppm olarak MOF (6) yapısı tarafından belirlenirken, etil bütirat için 90,05 ppm olarak MOF (1) yapısı tarafından belirlendi.

Abstract:
The need for new chemical substances to be synthesized and for their attributes and application areas to be examined is growing along with technology. Metal organic framework structures (MOFs), also known as porous coordination polymers, are a novel family of materials with nanoporosity that are garnered interest many applications because of their high adsorption capacity, stability, and chemical resistance. Due to their capacity to identify target molecules at low concentrations even before they spread into the surrounding air, one of these application areas—sensor technologies—is anticipated to mitigate the negative impacts of volatile organic compounds on human and environmental health.
In this regard, the produced thesis thesis looked into the use of MOF structures in SAW sensors for the detection of volatile organic compounds (VOC). There are two sections to the thesis study. Six MOF structures with organic linkers containing 2,6-pyridine dicarboxylic acid and 2-aminoterephthalic acid and various transition metals were synthesized in the first section. These linkers were based on Copper(II) for MOF (1) and MOF (2), Zirconium(IV) for MOF (3) and MOF (4), Nickel(II) for MOF (5), and Cadmium(II) for MOF (6). MOF structures were characterized by means of elemental analysis, FT-IR, powder XRD, RAMAN, UV-DRS, SEM, EDS, and TGA investigations. In the second part of the thesis study, MOF structures were coated using the drop-down method on the mass-sensitive SAW sensor, and measurements were made in a controlled laboratory environment against 10 distinct VOC analytes (isovaleraldehyde, diacetyl, 2-pentanone, n-butyraldehyde, acetone, n-hexane, chloroform, methyl salicylate, sec-butylamine, and ethyl butyrate) and humidity with seven different concentrations. VOCs were measured as 30%, 50%, and 66-70-80% humidity and pure gas in moisture-free environments. Investigations were conducted on the selectivity and sensitivity of SAW sensors covered with MOF structures against VOC analytes. While MOF structures were selective against humidity and ethyl butyrate and chloroform at low detection limits, they did not react with isovaleraldehyde and methyl salicylate analytes. Instead, they had a substantial reaction to ethyl butyrate, n-hexane, acetone, 2-pentanone, and chloroform. The lowest detection limit against moisture was determined as 6.03 ppm by the MOF (6) structure, while it was determined as 90.05 ppm for ethyl butyrate by the MOF (1) structure.