Determination of the chemical and mechanical stability of ZnO nanorods grown on different surfaces for photocatalytic applications
Fotokatalitik uygulamalar için değişik yüzeyler üzerinde yetiştirilen ZnO nanoçubuklarının kimyasal ve mekanik kararliliğinin tayini
- Tez No: 315678
- Danışmanlar: PROF. DR. MEVLÜDE SÜMER PEKER
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ege Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Temel İşlemler ve Termodinamik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 232
Özet
Atık suların arıtılmasında nano boyuttaki ZnO ve TiO2'in fotokatalizör olarak kullanılması, klasik arıtma ve dezenfeksiyon tekniklerine alternatif olarak, geniş çapta araştırılan yeni bir yöntemdir. ?Slurry? türü reaktörlerdeki reaksiyon ortamı içerisinde asıltı halinde bulunan katalizör taneciklerine kıyasla sabit bir yüzeye tutturulmuş fotokatalizörler, filtrasyon işlemi gerektirmemeleri nedeniyle tercih edilmektedir. Tutturulmuş nanotanelerin mekanik kararlılığı bu tanelerin fotokatalizör olarak kullanılabilmelerinin ön şartıdır. Tutturulmuş nanotanelerin fotokatalitik reaksiyonlarda kullanımına dair az da olsa çalışma bulunmasına rağmen, bir yüzey üzerinde yetiştirilen nanoçubukların mekanik ve kimyasal kararlılığı şimdiye kadar incelenmemiş bir konudur.Bu çalışmanın amacı, cam yüzeyler üzerinde yetiştirilen ZnO nanoçubukların sürekli akım şartları altında mekanik ve kimyasal kararlılığının tayin edilmesidir. Nanoçubukların alt taban üzerine bağlanma gücüne etki eden çekirdek oluşumu, akım rejimi, ortam pH'ı ve UV ışınlarının nanoçubukların kararlılığına olan etkileri sistemin kararlılığını etkileyen parametreler olarak incelenmiştir. Ayrıca, TiO2 filmi ile kaplamanın, ZnO nanoçubuklarının kararlılığı ve fotokatalitik etkinliği üzerine etkisi de araştırılmıştır.Cam yüzeyler üzerinde ZnO nanoçubukları, sol/jel ve hidrotermal yöntemler bir arada kullanılarak büyütülür. Cam yüzeylerden nanoçubukların büyütülebilmesi için, yüzeylerin öncelikle nanometre mertebesinde ZnO çekirdek filmi ile kaplanması ve nanoçubukların bu çekirdek filmi üzerinden büyütülmesi gerekir. Bu ön-kaplama işlemi sol-jel ve dönel kaplama yöntemleri bir arada kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen ZnO nano çekirdeklerinin ortalama tane çapının ~30nm, ve yüzeydeki ortalama çekirdek dağılımının ~9x1010 #/cm2 mertebesinde olduğu bulunmuştur. Hidrotermal işlem sonrası altıgen kesitli, yüzeye dik, birbirine oldukça paralel ve yüksek sayı yoğunluğuna sahip nano çubuklar elde edilmiştir (ortalama çubuk çapı =~100nm; ortalama çubuk boyu =~4µm, ortalama çubuk dağılım yoğunluğu =~5x109 #/cm2). Değişik reaksiyon koşulları altında elde edilen bütün ZnO nano çubuklarının hekzagonal wurtzite kristal yapısında olduğu ve kristal büyümesinin boy-yönünde (0001) daha baskın olduğu X-ışınları kırınımı sonuçlarından bulunmuştur.Bu çalışmada, diktörtgen kanal biçiminde sürekli akım altında çalışabilen yeni bir reaktör tasarlanmıştır. ZnO nanoçubukları ile kaplı cam plakalar, kanalın altında yer alan girintiye yerleştirilmiştir. Kanalın üst duvarına yerleştirilen kuvartz plaka ile UV ışınlarının tamamının nanoçubuklara ulaşması sağlanır. ZnO nanoçubuklarının sürekli su akımı altındaki kimyasal ve mekanik kararlılıkları öncelikle karanlık ortamda incelenerek UV ışını ve fotokatalitik reaksiyon koşulları altında dayanıklılık için ön kriter oluşturulmuştur. ZnO nanoçubuklarının esas olarak hidrofilik (suyu seven) olan uç kısımlarından çözündüğü gözlenmiştir. Çözünme mekanizması, çubukların dikey ve paralel olmasına, dolayısı ile, alttaki çekirdek tabakasının yapısına bağlıdır. Ayrıca, kanalın içerisindeki su hızı arttırıldığında nanoçubuklara etki eden kayma gerilimi de artmış, bu da nanoçubukların çözünme ve üst yüzeylerinden kopma eğilimlerini arttırmıştır. 3.30 cm3/s su debisinde, nanoçubukların çözünme yüzdesinin 24 saat sonra %2.5 mertebesinde olduğu bulunmuştur. TiO2 ile kaplanma, nanoçubukların UV ışını altında çözünmesini büyük ölçüde önlemiştir. Ayrıca, çözünürlük değerleri ZnO'in karanlık ortamda tek başına çözünmesine göre daha azdır.Tutturulmuş nanoçubukların fotokatalitik etkinliğinin tayini için, metil turuncusu boyar maddesi model organik kirlilik olarak seçilmiştir. TiO2 kaplı ZnO nanoçubukları fotokatalizör olarak kullanıldığında, 3.30 cm3/s su debisinde, metil turuncusu 30 saat reaksiyon sonrası %~20 ve 48 saat sonra %32 oranında bozunmuştur. 48 saat reaksiyon süresi sonunda, nanoçubukların çözünme yüzdesinin %1.6 mertebesinde olduğu bulunmuştur.Elde edilen tüm sonuçlar, sabit bir yüzey üzerine tutturulan ZnO ve TiO2/ZnO nanoçubuklarının sulardaki kirliliklerin arıtılmasında fotokatalizör olarak kullanılabileceğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Nano sized ZnO and TiO2 acting as photocatalysts for the decontamination of waste water is a new technique widely investigated, as an alternative to classical decontamination and disinfection methods. Immobilized photocatalysts are preferred over suspended catalysts particles in slurry reactors due to elimination of filtration process. Mechanical stability of immobilized particles is a prerequisite for their use as a photocatalyst. Research on immobilized nanoparticles for use in photocatalytic reactions is not extensive and in neither of these have chemical and mechanical stability of the nanorods been investigated. The aim of this work is to investigate the mechanical and chemical stability of ZnO nanorods grown on glass substrates, under continuous flow conditions. The effect of seed formation on the bonds between the nanorods and the substrate, flow regime, pH of the medium and UV radiation are investigated parametrically in this work. The effect of TiO2 film coating on the stability and photocatalytic effectiveness of ZnO nanorods are also investigated.ZnO nanorods are grown on glass substrates through a combination of sol/gel and hydrothermal techniques. A seed layer coating of thickness in the nanometer range, is necessary on glass substrates for the subsequent growth of nanorods. This precoating is accomplished through the combination of spin coating and sol-gel techniques. The seed layer so obtained has a number distribution of seeds in the order of ~9x1010 #/cm2, with an average ZnO seed diameter of ~30nm. Hexagonal shaped, nearly parallel ZnO nanorods, oriented vertically to the substrate are obtained through hydrothermal methods including reaction and crystallization (average rod diameter =~100nm; average rod length =~4µm, average rod number density distribution =~5x109#/cm2). All the nanorods obtained under different reaction conditions have a hexagonal wurtzite crystal structure, with the growth direction predominantly in the (0001) direction, as measured with X-ray diffraction.A novel continuous-flow reactor is designed in the form of a rectangular channel in this work. The ZnO nanorod coated glass substrate is placed in a rectangular indentation at the bottom of the channel. A quartz plate placed on the upper channel wall allows UV radiation to pass through the nanorods. The chemical and mechanical stability of ZnO nanorods are initially investigated in complete darkness to form a reference for the stability under UV radiation and photocatalytic reaction conditions. It is observed that the rods mainly dissolved through the hydrophilic ends. The mechanism of rod dissolution depends on the verticality and alignment of the rods, which in turn, depends on the structure of the underlying seed layer. Also, if the velocity of water increases in the channel, the shear stress exerted on rods are increased and this results further dissolution and breakage from the top surfaces of nanorods. The percent dissolution from nanorods under a low circulation rate of 3.30 cm3/s is of the order of 2.5% after 24 h. Coating of the ZnO nanorods with TiO2 layer has greatly reduced their solubility. In addition, the dissolution of the TiO2 coated nanorods under UV radiation is even less than the dissolution of ZnO rods in complete darkness.Methyl orange dye is selected as a model organic pollutant in the investigation of photocatalytic efficiencies of immobilized nanorods. ~20% decomposition of the dye is observed after 30 h, and 32% after 48 h reaction time using the TiO2 coated ZnO nanorods as the photocatalyst under a circulation rate of 3.30 cm3/s. The percent dissolution from nanorods after the 48 h reaction time is of the order of 1.6%.The results obtained show that immobilized ZnO and TiO2 coated ZnO nanorods can be used as a photocatalyst for the decontamination of water processes.
Benzer Tezler
- NiO/ZnO ve NiO/ZnO/Al2O3 nanokompozit partiküllerinin ultrasonik sprey piroliz (USP) yöntemiyle üretimi
Production of NiO/ZnO and NiO/ZnO/Al2O3 nanocomposite particles by ultrasonic spray pyrolysis (USP) technique
DUYGU YEŞİLTEPE
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Katı-hal yöntemiyle çinko katkılı nanoboyutta hidroksiapatit üretiminde kalsinasyon ve çinko oranının etkisinin belirlenmesi
Determination of the effect of calcination and zinc rate in zinc additive nano sized hydroxyapatite production with solid-state method.
VEDAT ATAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiMersin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖNDER ALBAYRAK
- Ni/ZnO nanokompozit partiküllerinin ultrasonik sprey piroliz tekniğiyle üretimi
Production of Ni/ZnO nanocomposite particles via ultrasonic spray pyrolysis (USP) method
İLAYDA KOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN GÜRMEN
- Ağır metal iyonlarının membran filtrasyon ile giderimi ve voltametrik tayinine yönelik grafen esaslı esnek materyallerin üretimi
Production of graphene-based flexible materials for removal of heavy metal ions by membrane filtration and voltammetric determination
ELİF ERÇARIKCI
- Polimer elektrolit membranlı yakıt pili uygulamaları için poli(arilen eter) esaslı membranların hazırlanması
Preparation of poly(arylene ether) based polymer electrolyte membranes for fuel cell applications
MERVE GÜRTEKİN SEDEN
Doktora
Türkçe
2013
KimyaMarmara ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLHAN KAYAMAN APOHAN
DOÇ. DR. TÜLAY İNAN