Synthesis of cuinse2/zns quantum dots and investigation of dye adsorption properties for waste treatment
Cuınse2/zns kuantum noktalarının sentezi ve atık arıtma için boya adsorpsiyon özelliklerinin araştırılması
- Tez No: 1024094
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CANER ÜNLÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Adsorpsiyon, Fizikokimya, Nanoteknoloji, Organik boyar maddeler, Adsorption, Physical chemistry, Nanotechnology, Organic dyestuffs
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Son yıllarda özellikle kağıt ve tekstil başta olmak üzere endüstrinin çeşitli alanlarında hızla gelişen faaliyetler, su kaynakları açısından önemli bir tehdit oluşturmaktadır. Özellikle de bu endüstriyel faaliyetler sonucu açığa çıkan ve su kaynaklarında da sıkça rastlanan organik boyalar, hem çevre hem de insan sağlığı için ciddi bir risk taşımaktadır. Bu organik boyalara örnek olarak metilen mavisi, rodamin B ve metil turuncusu gibi türler verilebilir. Organik boyaların kanser riski taşımaları gibi insan sağlığına zararlı etkileriyle beraber hem doğada uzun süre kalabilmeleri hem de toksik olmaları nedeniyle giderilmeleri üzerine yapılan çalışmalar önem kazanmaktadır. Bu nedenle uygulanan çeşitli boya giderme yöntemleri bulunmaktadır. Bunlara örnek olarak ise ters osmoz, kimyasal çöktürme, koagülasyon, yüzdürme, iyon değişimi, elektrokimyasal iyileştirme ve adsorpsiyon gibi farklı yaklaşımlar gösterilebilir. Bu yöntemler arasında çöktürme ve koagülasyon gibi geleneksel metotlara kıyasla adsorpsiyon yöntemi, hem daha az maliyetli olması hem de uygulama kolaylığı sağlayarak verimlilik açısından umut vaat eden bir yöntem olarak ortaya çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, organik boyalar ile adsorpsiyon çalışmaları için kuantum noktaların potansiyeli araştırılmıştır. Nanoteknoloji alanındaki en güncel gelişmelerden biri olan kuantum noktalar, üstün optik ve fotofiziksel özellikleriyle birçok alanda yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle sahip oldukları yüzey avantajı sayesinde boya giderme performansları, yürütülen adsorpsiyon çalışmaları ve mekanizması üzerinden incelenmiştir. İlk aşamada, kadmiyum ve kurşun gibi ağır metaller içermeyen daha çevre dostu kuantum nokta türünün sentezlenmesine odaklanılmıştır. Bu amaç doğrultusunda, IIII-VI grubuna ait CuInSe2/ZnS çekirdek-kabuk yapılı kuantum noktalar sentezlenerek L-glutatyon, N-asetil-L-sistein ve 3-merkaptopropiyonik asit olmak üzere üç farklı ligantla kaplanmıştır. Kabuk yapısının eklenmesi, kuantum noktaların kararlığını sağlamasıyla beraber, aynı zamanda ligantlarla etkileşimi ve çözünürlüğü gibi özelliklerini de etkilemektedir. Ayrıca boya adsorpsiyon çalışmaları için yüzey özelliklerinin belirleyici ve kritik bir faktör olmasından dolayı, ligantlarla kaplandıktan sonra yüzey özellikleri FTIR spektrumunda incelenmiştir. Çekirdek/kabuk yapılı CuInSe2/ZnS kuantum noktalarının sentezi tek kapta, su içerisinde, geri akış sağlayan kondenser ve azot gazı altında toplam 1.5 saat reaksiyon süresinde gerçekleştirilmiştir. Ana çözelti hazırlanırken pH değeri 8 olacak şekilde ayarlanıp 100°C'de reaksiyon gerçekleştirilmiştir. Bu süreçte üç farklı ligantla etkileşimin yanı sıra, metal sitokiyometrisinin yapıya ve optik özelliklere etkisini incelemek amacıyla diğer tüm parametreler sabit tutulup sadece bakır kaynağı olan bakır nitrat hemipentahidrat ve indiyum kaynağı olan indiyum asetat miktarları ayrı ayrı 2 katına çıkartılarak sentezler yapılmıştır .Sentez sonucunda üç farklı ligantla kaplı, ve farklı metal sitokiyometrilerine sahip toplamda dokuz adet kuantum nokta elde edilmiştir. elde edilmiştir. Bu kuantum noktalar reaksiyon sonunda katı halde elde edilmiş ve 2-8 °C'de buzdolabında muhafaza edilmiştir. İkinci aşamada, elde edilen kuantum noktaların yapısal özelliklerinin karakterizasyonu XRD, FTIR ve Raman ile gerçekleştirilmiştir. XRD analizi ile kristal yapı aydınlatılarak literatürde yer alan diğer sentezlerin sonuçlarıyla kıyaslanmıştır. Bu kıyaslamalar ve yapının inceleme sonucunda da malzemenin kuantum nokta olduğu ve çekirdek/kabuk yapısının oluştuğu doğrulanmıştır. FTIR sonuçları ise sentez aşamasında kullanılan üç ayrı ligantın ve kuantum noktalar arasındaki bağlanma ve fonksiyonel gruplar hakkında önemli bilgiler sunmaktadır. Sentezlenen bütün kuantum noktaların FTIR spektralarında ortak olarak görülen sonuç, tüm ligant yüzeylerinde 2500 cm-1 civarında görülen tiyol piklerinin, sentezlenen kuantum noktalarda gözlemlenmemesidir. Bu sonuç, seçilen üç ligantın da kuantum noktaya kükürt atomu üzerinden başarıyla bağlandığını göstermektedir. Optik özelliklerinin karakterizasyonu için de kuantum noktaların, saf su ile 0.001 molar sodyum hidroksit ve hidroklorik asit kullanılarak hazırlanılan ph 5 değerinden 11 değerine kadar olan toplam yedi adet pH çözeltisindeki çözünürlüğü fotolüminesans ve UV spektroskopisi ile incelenmiştir. En iyi hangi pH değerinde çözüldüklerine yönelik rasyonel bir sonuç alınamadığı için pH sensörü uygulamalarında kullanımı için uygun görülmemiştir. Ancak özellikle L-glutatyon ligantı ile kaplı CuInSe2/ZnS kuantum noktasının pH 11'de çözüldüğü net bir şekilde gözlemlenmiştir. Bu gibi pH'a bağlı çözünürlüklerin incelenmiş olması da boyalar ile yapılacak olan adsorpsiyon çalışmaları için önemli bir öngörü sunmaktadır. Yapısal ve optik özelliklerin karakterizasyonundan sonra üçüncü aşamada, üç farklı boya ile adsorpsiyon çalışmaları yürütülmüştür. Bu boyalar katyonik yüklü metilen mavisi, ortamın pH değerine bağlı olarak değişen bir diğer katyonik boya türü olan rodamin B ve anyonik karaktere sahip metil turuncusudur. Bu üç boya dokuz farklı kuantum noktalarla etkileştirildikten sonra UV spektroskopisi ve FTIR metotlarıyla incelenerek adsorpsiyon mekanizması araştırılmıştır. UV sonuçlarına göre, kuantum noktalarla en en iyi etkileşime giren metilen mavisi olup en yüksek giderim verimliliği %99.1 ile N-asetil-L-sistein ligantıyla kaplı Cu(x2)InSe2/ZnS'dir. Ayrıca etkileşim öncesi ve sonrası çözeltilerin renk değişimleri de görsel olarak incelenmiş olup buradaki renk değişimlerinin UV sonuçlarındaki yoğunluk düşüşleriyle paralel olduğu saptanmıştır. Metilen mavisinden sonra ise kuantum noktalarla etkileşimi yüksek olan rodamin B olup anyonik karakterdeki metil turuncusunun etkileşimi diğerlerine göre daha sınırlı kalmıştır. Buradaki temel adsorpsiyon mekanizması boya ve kuantum nokta yüzeyindeki artı/eksi yüklerin varlığıyla meydana gelen elektrostatik etkileşimlerle açıklanıyor olsa da, hidrojen bağı ve hidrofobik etkileşimlerin de rolü olduğu boya sonrası yapılan FTIR analizleriyle açıklanmaktadır. Ayrıca bunlarla birlikte, kullanılan ligant türü de kritik rol oynamaktadır. Örneğin L-glutatyon diğerlerine göre daha hacimli ve sterik engele sahip bir ligant olduğu için boya adsorbe etme performansı daha düşük kalmıştır. Adsorpsiyon çalışmalarından sonra dördüncü aşamada, adsorbe edilen boyanın geri kazanımını incelemek amacıyla desorpsiyon çalışmaları gerçekleştirildi. Bu çalışma sırasında, çözücü bazlı ve termal bazlı olmak üzere iki farklı yaklaşım benimsendi. Çözücü bazlı yaklaşımda kullanılan metanol, boyalarla etkileşime girmiş kuantum noktalara eklenerek UV spektroskopisinde analiz edildi. Termal bazlı yaklaşımda ise boyayı adsorplayan kuantum noktalara distile su eklenerek 50°C'de su banyosunda çalkalama işlemine tabi tutuldu. Deney sonrası alınan UV spektroskopisindeki sonuçlara göre ısıl işlemde herhangi bir boya geri kazanımı görülmezken, metanol ile yapılan deney sonuçlarında özellikle rodamin B ve metilen mavisi ile etkileştirilmiş kuantum noktalarda saf boyanın karakteristik absorpsiyon spektrumu gözlemlendi. Sonuç olarak çevresel iyileştirme amaçlarıyla geliştirilen ve kadmiyum gibi toksik metaller içermeyen kuantum noktalarının adsorpsiyon ve desorpsiyon süreçlerindeki potansiyeli kapsamlı bir şekilde incelendi ve diğer boyalara göre özellikle metilen mavisinin adsorpsiyonunda diğer incelenen boyalara kıyasla daha yüksek verim ve adsorpsiyon kapasitesine ulaştığını göstermiştir.
Özet (Çeviri)
In recent years, rapidly increasing industrial growth, specifically in the paper and textile sectors, has led to a significant environmental threat to water resources. In addition, organic dyes released as a result of these industrial activities and frequently found in water sources carry a serious risk to both the environment and human health. Research on the removal of organic dyes is gaining importance due to their harmful effects on human health, such as the risk of cancer as well as their toxicity and potential to remain in the environment for long periods. Compared to various traditional methods for removing the dyes, the adsorption method emerges as a promising approach in terms of efficiency, as it is both more cost-effective and offers easy application. In this thesis, the potential of quantum dots for adsorption studies against organic dyes was investigated. Quantum dots, one of the most recent developments in the field of nanotechnology, are widely used in many areas due to their outstanding optical and photophysical properties. In this study, their dye removal performance was examined through the adsorption studies conducted and the underlying mechanism, particularly due to their surface advantage. In the experimental part, CuInSe2/ZnS core/shell quantum dots which containing no heavy metals such as cadmium and lead were synthesized and capped with three different ligands: L-glutathione, N-acetyl-L-cysteine, and 3-mercaptopropionic acid. The synthesis of core/shell CuInSe2/ZnS quantum dots was carried out in one pot, in aqueous medium, under reflux and nitrogen gas for a total reaction time of 1.5 hours. In this process, syntheses were also conducted by doubling the amounts of copper nitrate hemi-pentahydrate as copper source and indium acetate as indium source, while keeping all other parameters constant, to examine the effect of metal stoichiometry on the structure and optical properties. In the second stage, the structural properties of the synthesized quantum dots were characterized using XRD, FTIR, and Raman spectroscopy. The XRD spectrum confirmed the crystal structure, and the analysis of the structure verified the formation of a core/shell structure and confirmed that the material is quantum dot. A common finding observed in the FTIR spectra of all synthesized quantum dots is the disappearance of thiol peaks typically seen around 2500 cm-1 on all ligand surfaces. This result indicates that all three selected ligands have successfully bonded to the quantum dot via sulfur atoms. To characterize their optical properties, the solubility of the quantum dots was also investigated in a total of seven pH solutions ranging from pH 5 to pH 11 using photoluminescence and UV spectroscopy. Since no conclusive results were obtained regarding the optimal pH at which they dissolve, they were considered unsuitable for use in pH sensor applications. However, it was clearly observed that the L-glutathione capped CuInSe2/ZnS QDs dissolved at pH 11. The investigation of such pH-dependent solubility provides valuable insight for adsorption studies with dyes. Following the characterization of structural and optical properties, adsorption studies were conducted using three different dyes. These dyes were methylene blue, rhodamine B and methyl orange. After these three dyes were interacted with quantum dots, the adsorption mechanism was investigated using UV spectroscopy and FTIR methods. According to the UV results, methylene blue exhibits the best interaction with the quantum dots, and the highest removal efficiency of 99.1% was observed with N-acetyl-L-cysteine capped Cu(x2)InSe2/ZnS QDs. Although the primary adsorption mechanism here is explained by electrostatic interactions arising from the positive and negative charges on the surfaces of the dye and quantum dots, FTIR spectra of the adsorption products suggest that hydrogen bonding and hydrophobic interactions also play a critical role. Another important factor is the type of ligand that is used in the synthesis of QDs. For instance, since Lglutathione is a larger ligand with greater steric hindrance compared to others, L-GSH capped QDs' dye adsorption performance is lower. Desorption experiments were conducted to investigate the potential for recovering the adsorbed dye. During this study, two different approaches were employed: a solvent based approach and a thermal based approach. In the solvent based approach, methanol was added to the quantum dots that had interacted with the dyes and analyzed via UV spectroscopy. In the thermal based approach, distilled water was added to the quantum dots adsorbing the dye, followed by a shaking in a water bath at 50°C. According to the results obtained from UV spectroscopy after the experiments, no dye recovery was observed following thermal treatment, whereas the experiments conducted with methanol, characteristic spectrum of the pristine dyes were observed, particularly for the quantum dots that had interacted with rhodamine B and methylene blue. In summary, the potential of QDs developed for environmental applications was thoroughly investigated in adsorption and desorption processes. Analytical results and characterization results showed that the QDs were capable of adsorbing different dye molecules, showing the highest adsorption efficiency toward methylene blue.
Benzer Tezler
- CuInS2 yarıiletken kuantum parçacık sentezi, yapısal, spektroskopik ve elektrokimyasal incelemeleri ve güneş hücresi uygulamaları
Synthesis of CuInS2 quantum dot semiconductors and their structural, spectroscopic and electrochemical investigations and solar cell applications
CİHAN ÖZSOY
- Synthesis of copper zinc tin sulfide CZT(S,Se) with solution based method and formation and characterization of CZT(S,Se) thin films for photovoltaic application
Solüsyon yöntemiyle CZTS sentezi ve fotovoltaik devreler için CZTS ince film oluşturma ve film özelliklerini inceleme
RIDVAN ERĞUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ELİF ÜLKÜ ARICI
- In2Se3 yarıiletken materyallerin yeni bir metot olan ko-depozisyon metoduyla sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of In2Se3 semiconductor materials with a new co-deposition method
SIDDIK DEMİR
- Synthesis of some 3,5-disubstituted tetrahydro-2H-1,3,5-thiadiazine -2- thione derivatives
Başlık çevirisi yok
ZERRİN ZERENLER
Yüksek Lisans
İngilizce
1988
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OKAN TARHAN
- Synthesis of NaGdP207 by solid-state reactions, x-ray diffraction and ir studies
Başlık çevirisi yok
MAJED DARRAS
