Hekzagonal bor nitrür katkılı perovskit katalizörlerinin sentezi, karakterizasyonu ve katalitik aktivitelerinin incelenmesi
Synthesis, characterization and investigation of catalytic activities of hexagonal boron nitride incorporated perovskite catalysts
Yazar: ZEYNEP BALTA
Danışman: DOÇ. DR. ESRA BİLGİN ŞİMŞEK
Yalova Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya ve Süreç Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Sunulan doktora çalışmasında; bor nitrürün iki boyutlu hekzagonal bor nitrür (h-BN)
ve sıfır boyutlu bor nitrür kuantum nokta (BNQDs) formlarının fotokatalitik
aktiviteleri incelenerek fotokataliz alanına kazandırılması amaçlanmıştır. Çalışmanın
ilk aşamasında; BiFeO3 (BFO) ve MnFeO3 (MFO) perovskit katalizörler,
impregnasyon yoluyla h-BN ile katkılandırılarak optik özellikleri ve katalitik
aktiviteleri iyileştirilmiştir. Katalizörlerin karakterizasyonu SEM-EDS, TEM, XRD,
XPS, FTIR, PL, UV−vis DRS, EIS ve BET analizleri ile detaylı incelenmiştir. FTIR
ve XPS sonuçlarında; saf h-BN ve perovskit yapılarına ait pikler gözlenmiş ve bu da
bor nitrürün perovskit yapısına başarıyla ilave edildiğini göstermiştir. Optik analiz
sonuçlarında; h-BN katkılandırılmasından sonra perovskit katalizörlerin ışık
absorpsiyon kapasiteleri önemli ölçüde artış ve rekombinasyon hızında düşüş
gözlenmiştir. Fotokatalitik aktivite çalışmalarında; saf BFO (%65.4) ve MFO (%44.2)
katalizörlerinin tetrasiklin (TC) giderim performansları h-BN ilavesi ile sırasıyla
%80.1 ve %75.8 değerlerine yükselmiş ve bozunma mekanizması detaylıca
açıklanmıştır. BFO/h-BN ve MFO/h-BN katalizörleri ibuprofen içeren ilaç üretim
tesisinden temin edilen atıksu arıtım tesis çıkış suyu için yüksek katalitik performans
göstermişlerdir. Çalışmanın ikinci aşamasında; BNQDs katkılandırması ile BFO ve
MFO katalizörlerinin performanslarının iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Katalizörlere
ait TEM görüntülerinde küresel şekildeki kuantum noktaların perovskit yüzeyleri
üzerinde başarıyla eklendiği gözlenmiştir. Perovskit fotokatalizörlerin BNQDs ilavesi
ile yük transfer kapasitelerinin etkin şekilde iyileştiği görülmüştür. BNQDs
katkılandırmasından sonra saf BFO ve MFO katalizörlerinin fotokatalitik
performansları sırasıyla %80 ve %70 değerlerine yükselmiş ve bu iyileşme, kuantum
noktaların boşlukları yakalama özelliğine bağlanmıştır. Perovskit/BNQDs
katalizörleri ile TC giderimi esnasında meydana gelen yan ürünler tespit edilerek
degradasyon mekanizması detaylıca açıklanmıştır. Çalışmanın son aşamasında; tez
çalışması boyunca maksimum performans gösteren BFO/BNQDs/1 katalizörü
polyester elyaf filtre yüzeyine kaplanarak pratikte uygulanabilirliği incelenmiştir.
Katalitik filtre ile TC degradasyonu; elektron alıcısı olarak sisteme eklenen
peroksimonosülfat aktivasyonu ile gerçekleştirilmiştir. İlk olarak; farklı kaplama
oranlarının filtrenin performansına etkisi incelenmiştir. Ardından; radikal tutucu
deneyler ile fotokataliz/PMS mekanizması açıklanmıştır. Döngü deneyleri ile katalitik
filtre beşinci kullanıma kadar etkin performans sunmuş ve katalizörlerin filtre
yüzeyinde stabil olduğu karakterizasyon testleri ile görülmüştür. Katalitik filtreler ile
sürekli akışlı sisteminde TC degradasyonu; akış hızı, yatak yüksekliği ve kirletici
konsantrasyonu parametrelerinde incelenmiştir. Katalitik fitrelerin 7 saat boyunca
etkin katalitik performans sunduğu belirlenmiştir. Sonuç olarak; bor nitrürün farklı
formları ile perovskit katalizörlerinin fizikokimyasal, optik ve fotoelektrokimyasal
özellikleri iyileştirilerek çeşitli kirleticilere karşı katalitik aktiviteleri arttırılmış ve bor
nitrürün fotokataliz alanında etkin bir şekilde kullanım potansiyelinin olduğu
görülmüştür.

Abstract:
In the present doctoral study; the photocatalytic activities of two-dimensional
hexagonal boron nitride (h-BN) and zero-dimensional boron nitride quantum dot
(BNQDs) forms of boron nitride were examined in order to gain them in the field of
photocatalysis. In the first part; BiFeO3 (BFO) and MnFeO3 (MFO) perovskite
catalysts were doped with h-BN by impregnation to improve their optical properties
and catalytic activities. The characterization of the catalysts was investigated in detail
by SEM-EDS, TEM, XRD, XPS, FTIR, PL, UV−vis DRS, EIS and BET analyses. In
FTIR and XPS results; the peaks of pure h-BN and perovskite structures were
observed, indicating that boron nitride was successfully added to the perovskite
structure. In the optical analyses; the light absorption capacity of the catalysts
increased significantly and the recombination rate decreased after incorporation with
h-BN. In photocatalytic activity studies, after addition of h-BN, tetracycline (TC)
removal performances of pure BFO (65.4%) and MFO (44.2%) catalysts increased to
80.1% and 75.8%, respectively. BFO/h-BN and MFO/h-BN catalysts showed high
catalytic performance for pharmaceutical production plant wastewater effluent
containing ibuprofen. In the second part; it was aimed to improve the performances of
BFO and MFO catalysts with incorporation of BNQDs. It was observed in the TEM
images that spherical quantum dots were successfully added on the perovskite
surfaces. The charge transfer capacities of perovskite photocatalysts were effectively
improved with the addition of BNQDs. After BNQDs doping, the photocatalytic
performances of pure BFO and MFO catalysts increased to 80% and 70%,
respectively, which was attributed to the hole extraction ability of BNQDs. In the last
part, the BFO/BNQDs/1 catalyst which showed maximum performance during the
thesis study was coated on the polyester fiber filter surface and its practical
applicability was investigated. The degradation by catalytic filter was achieved by
peroxymonosulfate activation as an electron acceptor. Firstly, the effect of different
coating ratios on the performance of the filter was investigated. After that,
photocatalysis/PMS mechanism was explained by radical scavenging experiments.
With the cycle experiments, the catalytic filter provided effective performance until
the fifth use and it was seen by the characterization tests that the catalysts were stable
on the filter surface. TC degradation in a continuous flow system with catalytic filters
was investigated with the parameters of flow rate, bed height and pollutant
concentration. The catalytic filters provided effective catalytic performance for 7
hours. As a result, the physicochemical, optical and photoelectrochemical properties
of perovskite catalysts were succesffuly improved by different forms of boron nitride
and the catalytic activities against various pollutants were greatly increased. This study
demonstrated that boron nitride has a promising potential in the field of photocatalysis.