Gaz ve sıvı fazda çevresel hedef türlerin algılanmasına yönelik 2B CuS ve SnS₂ tabanlı sensörlerin adsorpsiyon ve yüzey kimyasına dayalı analizi
Adsorption and surface chemistry-based analysis of 2d cus and sns₂-based sensors for detecting environmental target species in gas and liquid phases
- Tez No: 1008969
- Danışmanlar: PROF. DR. ZEYNEP GÜVEN ÖZDEMİR, PROF. DR. AHMET ALTINDAL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Gaz sensörü, Kimyasal sensör, Nanosensörler, Gas sersor, Chemical sensor, Nanosensors
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasında, iki boyutlu (2B) metal sülfit nano yapıların gaz ve sıvı faz ortamlarında çevresel hedef türlerin algılanmasına yönelik potansiyeli incelenmiştir. Özellikle amonyak (NH₃/NH₄⁺) ve ağır metal iyonlarının (Co²⁺, Ni²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺ ve Cu²⁺) algılanmasına ilişkin duyarlık, seçicilik ve adsorpsiyon mekanizmaları ayrıntılı biçimde ele alınmıştır. Bu kapsamda, hidrotermal yöntemle sentezlenen kovellit fazlı 2B CuS ve SnS₂ nano yapıları ile elektro-kimyasal yüzey mühendisliği kullanılarak geliştirilen sülfatlanmış SnO₂ (SO₄²⁻/SnO₂) yapıları sensör algılama malzemesi olarak kullanılmıştır. Sentezlenen nano yapıların yapısal, morfolojik,kimyasal ve yüzey özellikleri X-ışını kırınımı (XRD), alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FE-SEM), transmisyon elektron mikroskobu (TEM), UV-Vis spektroskopisi, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), Brunauer–Emmett–Teller (BET) yüzey alanı analizi, enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) teknikleri ile kapsamlı biçimde karakterize edilmiştir. Sensör uygulamalarında, gaz fazı ölçümleri için direnç tipi interdijital elektrot (IDT) tabanlı sensörler; sulu ortam ölçümleri için ise kuvars kristal mikro terazi (QCM) sensörleri kullanılmıştır. CuS nano yapılarının NH₃ buhar algılama performansı 50–350 ppm konsantrasyon aralığında oda sıcaklığında incelenmiş; yüksek duyarlık, hızlı yanıt ve geri dönüşüm özellikleri sergilediği belirlenmiştir. Kinetik analizler, yüksek NH₃ konsantrasyonlarında heterojen yüzey bölgelerinde gerçekleşen çok katmanlı kimyasal adsorpsiyonun baskın mekanizma olduğunu göstermiştir. FTIR ve BET analizleri, NH₃ adsorpsiyonuna bağlı yüzey yeniden yapılanmasını ve mikro gözenek aktivasyonunu doğrulamıştır. Ayrıca, CuS nano yapılarının sulu ortamda NH₃/NH₄⁺ algılama performansı ilk kez QCM tabanlı olarak araştırılmış; konsantrasyona bağlı frekans kaymaları ve yüksek konsantrasyonlarda geri dönüşümsüz adsorpsiyon davranışı tespit edilmiştir. Elde edilen veriler Elovich ve Langmuir modelleriyle uyumlu sonuçlar vermiştir. Bunun yanı sıra, 2B SnS₂ filmlerinin düşük potansiyelli elektro-kimyasal oksidasyon ve sülfatlama yöntemiyle SO₄²⁻/SnO₂ yapısına dönüştürülmesiyle geliştirilen sensörlerde, NH₃ buharına karşı yaklaşık 1000 kat daha yüksek duyarlık elde edildiği belirlenmiştir. Bu artış, sülfat fonksiyonelleştirilmiş SnO₂ yüzeylerinde oluşan Lewis asidik aktif bölgelerle ilişkilendirilmiştir. Sensörler, farklı bağıl nem koşullarında ve uzun süreli testlerde kararlı ve tekrarlanabilir performanslar sergilemiştir. Hidrotermal yöntemle sentezlenen iki boyutlu CuS ve SnS₂ nanoyapılarının sulu ortamlardaki ağır metal iyonlarını (Co²⁺, Ni²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺ ve Cu²⁺) algılama performansları incelenmiştir. QCM sensörleri ile yapılan ölçümlerde her iki sensörde de en yüksek duyarlılık Mg²⁺ iyonları için elde edilmiştir. LoD sonuçlarına göre CuS tabanlı sensörler Mg²⁺ iyonlarının düşük konsantrasyonlarda tespitinde, SnS₂ tabanlı sensörler ise Co²⁺ iyonlarının algılanmasında daha iyi performans göstermiştir. Ayrıca adsorpsiyon davranışının analit iyonlarının asiditesi ve kükürt atom sayısından etkilendiği belirlenmiştir. Bu tez kapsamında gerçekleştirilen çalışmalar, metal sülfit tabanlı iki boyutlu nano yapılarda gaz ve sulu ortam algılamasını belirleyen temel mekanizmaları ortaya koymaktadır. Çok katmanlı adsorpsiyon ile yüzey ve elektro-kimyasal mühendislik yaklaşımlarının sensör performansı üzerindeki belirleyici etkisini açık biçimde göstermektedir. Bu yönüyle çalışma hem gaz fazı hem de sulu ortam algılamasında yüksek duyarlık ve seçicilik gerektiren çevresel izleme ve su kalitesi kontrolü uygulamaları için, düşük güç tüketimli ve taşınabilir sensör teknolojilerinin geliştirilmesine yönelik sağlam ve yönlendirici bir bilimsel altyapı sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, the potential of two-dimensional (2D) metal sulfide nanostructures for the detection of environmental target species in both gas-phase and liquid-phase media was systematically investigated. In particular, the sensitivity, selectivity, and adsorption mechanisms associated with the detection of ammonia (NH₃/NH₄⁺) and heavy metal ions (Co²⁺, Ni²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, and Cu²⁺) were examined in detail. Within this framework, covellite-phase 2D CuS and SnS₂ nanostructures synthesized via a hydrothermal method, as well as sulfated SnO₂ (SO₄²⁻/SnO₂) structures developed through electrochemical surface engineering, were employed as sensing materials. The structural, morphological, chemical, and surface properties of the synthesized nanostructures were comprehensively characterized using X-ray diffraction (XRD), field-emission scanning electron microscopy (FE-SEM), transmission electron microscopy (TEM), UV–Vis spectroscopy, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area analysis, energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). For sensor applications, resistive-type interdigital electrode (IDT)-based sensors were utilized for gas-phase measurements, whereas quartz crystal microbalance (QCM) sensors were employed for measurements in aqueous media. The NH₃ vapor sensing performance of CuS nanostructures was evaluated at room temperature over a concentration range of 50–350 ppm, demonstrating high sensitivity, rapid response, and effective recovery characteristics. Kinetic analyses indicated that, at elevated NH₃ concentrations, multilayer chemisorption occurring on heterogeneous surface sites constitutes the dominant adsorption mechanism. FTIR and BET analyses further confirmed surface restructuring and micropore activation associated with NH₃ adsorption. In addition, the NH₃/NH₄⁺ sensing performance of CuS nanostructures in aqueous media was investigated for the first time using a QCM-based approach; concentration-dependent frequency shifts and irreversible adsorption behavior at higher concentrations were observed. The experimental data exhibited good agreement with the Elovich and Langmuir adsorption models. Moreover, sensors developed by converting 2D SnS₂ films into SO₄²⁻/SnO₂ structures via low-potential electrochemical oxidation and sulfation exhibited approximately a thousand times higher sensitivity toward NH₃ vapor. This enhancement was attributed to the formation of Lewis acidic active sites on the sulfate-functionalized SnO₂ surfaces. The sensors demonstrated stable and reproducible performance under varying relative humidity conditions and during long-term operation. The sensing performance of two-dimensional CuS and SnS₂ nanostructures for heavy metal ions (Co²⁺, Ni²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, and Cu²⁺) in aqueous solutions was investigated. Measurements conducted using QCM sensors showed that the highest sensitivity for both materials was observed for Mg²⁺ ions. LoD analysis indicated that CuS-based sensors are more suitable for detecting low concentrations of Mg²⁺ ions, whereas SnS₂-based sensors perform better for Co²⁺ ion detection. Furthermore, the adsorption behavior was found to be significantly influenced by the acidity of the analyte ions and the number of sulfur atoms. The findings of this thesis elucidate the fundamental mechanisms governing gas-phase and aqueous-phase sensing in metal sulfide-based two-dimensional nanostructures. The results clearly demonstrate the decisive influence of multilayer adsorption, as well as surface and electrochemical engineering strategies, on sensor performance. In this respect, the study provides a robust and guiding scientific foundation for the development of low-power, portable sensor technologies intended for environmental monitoring and water quality control applications requiring high sensitivity and selectivity in both gas and aqueous environments.
Benzer Tezler
- Life cycle assessment of anaerobic digestion for the organic fraction of municipal solid waste
Kentsel katı atıkların organik kısmının anaerobik çürütülmesi prosesi yaşam döngüsü analizi
HAYRUNNİSA OMRAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATOŞ GERMİRLİ BABUNA
DOÇ. DR. BURÇİN ATILGAN TÜRKMEN
- Atıksu arıtma tesisi çıkış suyunda bulunan mikrokirleticilerin sucul ortam üzerindeki ekotoksik etkilerinin belirlenmesi
Determining the ecotoxic effects of micropolluttants occurrance in the effluent of the wastewater treatment plants on aquatic environment
MERVE ÖZKALELİ AKÇETİN
Doktora
Türkçe
2021
Çevre MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYÇA ERDEM ÜNŞAR
PROF. DR. PERİHAN BİNNUR KURT KARAKUŞ
- Ochratoxin A (OTA) production by aspergillus carbonarius in solid state fermentation
Kati hâl fermentasyonunda aspergillus carbonarius'un okratoksin a (OTA) üretimi
GÖKÇE GÜRÜN
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATİCE FUNDA KARBANCIOĞLU GÜLER
DR. HAYRETTİN ÖZER
- Development of natural zeolite-based adsorbents for desulfurization of liquefied petroleum gas (LPG)
Sıvılaştırılmış petrol gazının (LPG) kükürtten arındırılması için doğal zeolit-esaslı adsorbanların geliştirilmesi
MASOUD TEYMOURFAMIANASL
Doktora
İngilizce
2025
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSNÜ ATAKÜL
- Bankalarda uzun vadeli planlama ve Türk bankalarına ilişkin bir uygulama
Başlık çevirisi yok
GÜRCAN ŞEN