Fotokatalitik ilaç giderimi için Rheum ribes (Işkın) bitkisinden hazırlanmış azot katkılı karbon kuantum noktalar (N-CQDS) ile dekore edilmiş ZnO ve TiO2 heteroeklemlerin tasarımı ve performans değerlendirmesi
Design and performance evaluation of ZnO and TiO2 heterojunctions decorated with nitrogen doped carbon quantum dots (N-CQDS) prepared from rheum ribes (Iskın) plant for photocatalytic pharmaceutical removal
Yazar: CANAN KARACA
Danışman: PROF. DR. SEMRA KARACA
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Amaç: Bu tez çalışmasında etkinliği yüksek yeni nesil katalizör sentezlemek için Rheum Ribes bitkisinden hidrotermal yöntemle hazırladığımız azot ilave edilmiş karbon kuantum noktaların (N-CQDs) hidrotermal yöntemle sentezi, daha sonra buna ZnO ve TiO2 gibi yarı iletkenlerin yine hidrotermal yöntemle katkılanmasıyla N-CQDs/TiO2 ve N-CQDs/ZnO katalizörlerinin, arkasından N-CQDs/TiO2 nanofatokatalizörünün BODIPY türevi ETNE4 boyasıyla katkılanarak N-CQDs/TiO2/ETNE4 katalizörünün sentezi ve hazırladığımız bu katalizörlerin sulu çözeltilerden antibiyotik sınıfından seçilen bazı ilaçların (sülfometoksazol(SMX), tetrasiklin (TC)) gideriminde fotokatakitik aktivitesi değerlendirildi. 
Yöntem: Sentezlediğimiz nanokompozitlerin yapısal, optik ve yüzey özellikleri çeşitli ileri analitik teknikler kullanılarak sistematik olarak incelendi. Katalizörlerin yapısı XRD, TEM, BET, XPS, FTIR ve SEM/EDS gibi yöntemlerle analiz edilirken, optik özellikleri UV-Vis ve PL spektroskopisi ile değerlendirildi. Fotokatalitik etkinlikleri ise çeşitli reaksiyon parametreleri (katalizör miktarı, başlangıç konsantrasyonu, pH, ışınlama süresi gibi) incelenerek değerlendirildi. Optimum şartlarda inhibitörler eklenerek deneyler gerçekleştirildi ve etkin reaktif oksidatif türler (ROS) belirlendi. Fotokatalitik oksidasyon için mekanizma önerildi.
Bulgular: Yapılan analitik analizlerden boyutları 10 nm altında olan hidrotermal yöntemle hazırladığımız azot doplanmış karbon kuantum noktaların başarıyla sentezlendiği, sentezlenen N-CQDs'lerin TiO2 ve ZnO üzerinde immobilize edilmesiyle  N-CQDs/ZnO ve N-CQDs/TiO2 sentezlerinin gerçekleştiği ve ETNE4'ün N-CQDs/TiO2  yapısına girdiği anlaşıldı. Katalizörlerin ilaç gideriminde göstermiş olduğu fotokatalitik aktivitelerinin tekli ve ikili yapıya göre daha yüksek olduğu gözlendi. UVA ışıması altında 120 dakikalık reaksiyon süresinde N-CQDs/TiO2 nanokatalizörüyle  SMX giderim etkinliğinin % 88,09, TC ile N-CQDs/TiO2/ETNE4'ün %97, 38, N-CQDs/ZnO nanaokatalizörünün ise %78,33 olarak giderim etkinliği gösterdiği belirlendi.
Sonuç: Hidrotermal prosesle hazırlanan N-CQDs/TiO2, N-CQDs/TiO2/ETNE4 ve N-CQDs/ZnO  nanokatalizörlerinin UVA radyasyonu altında yüksek yük hareketliliği sağlayan, elektron boşluk rekombinasyonunu önleyerek  redoks kapasitesinin artmasına ve yüksek oranda elektron transfer etme özelliğine sahip olduğu görüldü. Yapılan deneyler sonucunda elde edilen katalizörlerin  oldukça yüksek giderim etkinliği sağladığı ve bu alanda yapılacak çalışmalara rehberlik edeceği görüldü.

Abstract:
Purpose: In this thesis, in order to synthesize a new generation of highly efficient catalysts, we synthesized nitrogen-doped carbon quantum dots (N-CQDs) prepared from the Rheum Ribes plant by the hydrothermal method, and then mixed with semiconductors such as ZnO and TiO2 by hydrothermal method to produce N-CQDs/TiO2 and N-CQDs/ZnO catalysts. Additionally, N-CQDs/TiO2 catalyst were decorated with BODİPY derivative ETNE4 dye to yield N-CQDs/TiO2/ETNE4 catalyst. The photocatalytic activity of these catalysts for the removal of some selected antibiotics (Sulfamethoxazole(SMX) Tetracycline(TC))from aqueous solutions were evaluated. 
Method: The structural, optical and surface properties of the synthesized nanocomposites were systematically investigated using various advanced analytical techniques. The structure of the catalysts was analyzed by XRD, TEM, BET, XPS, FTIR and SEM/EDS, while their optical properties were evaluated by UV-Vis and PL spectroscopy. Photocatalytic activities were evaluated by examining various reaction parameters (such as catalyst amount, initial concentration, pH, irradiation time). Experiments were carried out by adding inhibitors under optimum conditions and active reactive oxidative species (ROS) were determined. The mechanism for photocatalytic oxidation was proposed.
Findings: Analytical analyses revealed that N-CQDs dots prepared by hydrothermal method with dimensions below 10 nm were successfully synthesized, N-CQDs/ZnO and N-CQDs/TiO2 were synthesized by immobilizing the synthesized N-CQDs on TiO2 and ZnO, and ETNE4 was incorporated into the N-CQDs/TiO2 structure. It was observed that the photocatalytic activity of the catalysts in pharmaceutical removal was higher than the single and binary structures. It was determined that the removal efficiency of SMX by N-CQDs/TiO2 nanocatalyst was 88.09%, N-CQDs/TiO2/ETNE4 with TC was 97.38%, and N-CQDs/ZnO nanocatalyst was 78.33% in 120 min reaction time under UVA irradiation.
Conclusion: N-CQDs/TiO2, N-CQDs/TiO2/ETNE4 and N-CQDs/ZnO nanocatalysts prepared by hydrothermal process were found to provide high charge mobility under UVA radiation, increase redox capacity by preventing electron/hole recombination and have high electron transfer capability. As a result of the experiments, it was seen that the catalysts obtained as a result of the experiments provided very high removal efficiency and will guide the studies to be carried out in this field.