TiO2'nin fotokatalitik aktivitesinin arttırılması askorbik asit ile modifiye edilen TiO2 nin karakterizasyonu ve hidrokinonun fotokatalitik degradasyon reaksiyonunun modellenmesi
Enhancement the photocatalytic activity of TiO2 characterisation of ascorbic acid modified TiO2 and modelling the photocatalytic degradation reaction of hydroquinone
Yazar: EMİNE HİLAL MERT
Danışman: PROF.DR. ZEKİYE ÇINAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2006
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
TiO2 organik kirleticilerin fotokatalitik degradasyon reaksiyonlarında oldukça yaygın olarakkullanılan bir fotokatalizördür. Ancak organik kirleticilerin TiO2 fotokatalizörü yüzeyinde çokdüşük miktarlarda tutunmasına bağlı olarak, aromatik bileşiklerin birçoğu için fotokatalitikaktivitesi oldukça düşük bulunmaktadır. Bu nedenle son yıllarda, yapılan çalışmalar TiO2yüzeyinin modifikasyonu üzerinde yoğunlaşmıştır. Yüzey modifiye edicileri, TiO2 ninözelliklerini iki şekilde etkileyerek fotokatalitik aktivitesini arttırırlar: yüklü taneciklerinyeniden birleşmesini önleyerek ve kullanılan dalga boyu aralığını arttırarak.Bu çalışmada, yüzey modifikasyonunun hidrokinonun fotokatalitik degradasyonu üzerineetkisini belirleyebilmek amacı ile, hidrokinonun fotokatalitik degradasyon reaksiyonlarınınkinetiği askorbik asit (AA) kullanılarak yüzeyi modifiye edilmiş TiO2 ile deneysel olarakincelenmiştir. Hidrokinon molekülü, fenolik yapıdaki bileşiklerin fotokatalitik degradasyonreaksiyonlarında ara ürün olarak oluşan dihidroksibenzen türevlerinin, hava ve su kirleticileriarasında önemli bir sınıf oluşturması nedeniyle model bileşik olarak seçilmiştir. Denemelersaf ve yüzeyi modifiye edilmiş TiO2 P25 Degussa fotokatalizörü kullanılarak sabit sıcaklıktave süreksiz-tip bir fotoreaktörde gerçekleştirilmiştir. Fotokatalizörün, hidrokinonun başlangıçkonsantrasyonunun ve yüzey modifikasyonunun fotokatalitik degradasyon hızı üzerine olanetkisi belirlenmiştir. FTIR, XRD, SEM ve DTA-TG gibi yapısal ve termal yöntemlerkullanılarak yüzeyi modifiye edilmiş olan katalizör karakterize edilmiştir.Çalışmanın teorik bölümünde, askorbik asit ile yüzey modifikasyonunun anatazın elektronikyapısı üzerine olan etkisini incelemek ve anatazın elektronik özelliklerini saptayabilmekamacıyla, anatazdan kesilen Ti9O18 lik bir küme modellenmiştir. Çalışmalar DFT teorisikullanılarak B3LYP/LANL2DZ seviyesinde gerçekleştirilmiştir. Optimize geometriler, sınırorbitallerin enerjileri, enerji boşlukları, yüzeyde bulunan atomların Mulliken yük dağılımlarıbelirlenmiştir. Son olarak, kuantum kimyasal yöntemler kullanılarak hidrokinonunfotokatalitik degradasyon reaksiyonunun ürün dağılımı belirlenmiş ve olası reaksiyon yollarıiçin Geçiş Konumu Teorisi hesaplamaları yapılmıştır.Anahtar Kelimeler: Hidrokinon, yüzey modifikasyonu, askorbik asit, fotokatalitikdegradasyon, titanyum dioksit.

Abstract:
TiO2 is the photocatalyst used extensively in the photocatalytic degradation reactions oforganic pollutants. However, the photocatalytic activity has been found to be too low for themost of the aromatic compounds, due to the low surface coverage of TiO2 particles.Therefore, in recent years, attention has been directed towards surface modification of TiO2.Surface modifiers increase the photocatalytic activity of TiO2 by inhibiting electron-holerecombination process and by exploring the wavelength response range.In this study, with the intention of determining the effects of surface modificaton, the kineticsof the photocatalytic degradation of hydroquinone has been investigated experimentally, byusing ascorbic acid (AA) modified TiO2. Hydroquinone has been chosen as the modelcompound, since dihydroxybenzenes are toxic intermediate products of the photocatalyticdegradation reactions of phenolic compounds which constitute an important class of waterand air contaminants. The reactions have been carried out in a constant temperature batch-type photoreactor using pure and surface modified TiO2 P25 Degussa as the photocatalyst.The effects of the catalyst loading, initial concentration of hydroquinone and surfacemodification on the degradation rate have been determined. Surface modified catalyst hasbeen characterized by using structural methods and thermal analyses such as FTIR, XRD,SEM and DTA-TG.In the theoretical part, in order to investigate the effect of surface modification by ascorbicacid on the electronic structure of anatase and to find models suitable for determining theelectronic properties of TiO2, a cluster model Ti9O18 cut from the anatase bulk structure hasbeen modeled. Calculations have been carried out using Density Functional Theory DFT atB3LYP/LANL2DZ level. The formation process of the complex and its effect on theelectronic structure of TiO2 have been examined. The optimized geometries, the frontier-orbital energies, energy gaps, Mulliken charge distributions of the atoms on the surface havebeen determined. Finally, the product distribution for the photocatalytic degradation ofhydroquinone has been determined by means of quantum chemical methods and theTransition State Theory calculations for all the possible reaction paths.Keywords: Hydroquinone, surface modification, ascorbic acid, photocatalytic degradation,titanium dioxide.