Visible light-active non-metal doped titanium dioxide materials for photocatalytic oxidation
Fotokatalitik yükseltgeme süreçleri için görünür ışıkla aktifleşen, ametal bileşikleri ile katkılandırılmış titanyum dioksit malzemeleri
- Tez No: 374335
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. EMRAH ÖZENSOY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: TiO2, Heterojen Kütle Katkılandırması, Sol-Jel, Ametal Bileşikler, Görünür Işık, Fotokatalitik Oksidasyon, TiO2, Heterogeneous Bulk Doping, Sol-Gel, Non-Metal Compounds, VIS light, Photocatalytic Oxidation
- Yıl: 2014
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 113
Özet
Daha iyi bir insan hayatı için en önemli teknolojilerden biri çevre kirliliğinin engellenmesidir. Titanyum dioksit, güçlü oksidasyon yetkinliği, düşük maliyeti, zehirsiz olması, yüksek yapısal kararlılığı ve kolay erişilebilmesi gibi özelliklerinden dolayı hava ve su arıtma sistemlerinin göz bebeği haline gelmiştir. Ancak, geniş elektronik bant aralığına sahip olmasından dolayı, titanyum dioksit sadece güneş ışığının %3'ünü oluşturan UV ışığını soğurabilmektedir. Bu malzemenin güneş ışığını kullanabilmesi, çevre arıtımı için gereken işletim maliyetini oldukça düşürecektir. Bu yüzden, titanyum dioksiti güneş spektrumunun büyük bir parçasını kullanabilmesi için görünür ışık aktif malzemelere dönüştürmek önemli bir hedef haline gelmiştir. Bu çalışmada, görünür ışık ile aktifleşen titanyum dioksit tozlarının hazırlanması amacıyla çeşitli ametal bileşiklerinin titanyum dioksit sol-jel sentez protokolüne eklenmesi incelenmiştir. Bu çalışma bir ön çalışma olup, hedeflerinden en önemlisi, daha önce çalışılan UV aktif titanyum dioksit tozları ile birleştirilerek; özel tasarım bir hava arıtım teknolojisi için, UV ve VIS aktif ikili (eşlenik) sistemlerde kullanılmasıdır. Bu sebeple, mevcut çalışmada iki temel fotokatalizör ailesi sentezlenerek, yapısal ve fotokatalitik performans özellikleri incelenmiştir. İlk grup numuneler, titanyumun ametal bileşikleri olan TiC, TiN ve TiS2'ün sol-jel yöntemine eklenmesi ile hazırlanmıştır. Katkı atomun titanyuma olan mol oranı 0.1:1 olarak belirlenmiş ve sentezlenen tozlar XRD, Raman spektroskopisi, BET ve UV-VIS DR spektroskopisi ile karakterize edilmiş ve kalsinasyon sıcaklığı, yüzey alanı ve elektronik bant aralığının fotokatalitik aktiviteye olan etkisi araştırılmıştır. Sol-jel yöntemine ek olarak, sol-jel yönteminde katkı olarak kullanılan TiC, TiN ve TiS2 tozların, ayrıca havaya açık fırında tavlanmasıyla, kısmi olarak yükseltgenmiş fotokatalitik malzemeler de elde edilmiştir. İkinci olarak, farklı bir sol-jel yöntemiyle, borik asit, dietanolamin, trietilamin, tiyoüre, üre ve siklohekzanol gibi ucuz ametal bileşikleri ile katkılandırılmış titanyum dioksit türleri sentezlenmiştir. Hesaplama kolaylığından ötürü eklenen katkı bileşiğinin titanyum dioksite olan mol oranı, 0.5:1 olarak belirlenmiştir. Aynı karakterizasyon metodları, aynı parametrelerin fotokatalitik aktiviteye olan etkisini incelemek amacıyla kullanılmıştır. Fotokatalitik aktivite ölçümleri, tasarımı ve kurulumu mevcut çalışma çerevesinde gerçekleştirilen, görünür ışık aydınlatmalı, özel-tasarım fotokatalitik reaksiyon hücrelerinde, sıvı fazda organik bir kirletici olan Rhodamine B boyasının bozunması kullanılarak yapılmıştır. Bütün malzemelerin fotokatalitik performanslar, ticari Degussa P25 referans katalizör ile karşılaştırılmıştır. Fotokatalitik performans testleri, katkılandırılmış titanyum dioksit malzemelerinin, saf titanyum dioksit malzemesinden daha iyi görünür ışık aktivitesine sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca, bazı malzemelerin performansının Degussa P25'den bile daha iyi olduğu görülmüştür. Karakterizasyon yöntemleri anataz fazından rutil fazına geçişte katkı atomlarından dolayı bir gecikme olduğunu göstermiştir. Buna ek olarak, elektronik bant aralığı değerinin küçük olmasının, görünür ışık aktivitesi için önemli olsa da, bunun bir zorunluluk olmadığı; fotokatalitik aktiviteyi etkileyen başka bir çok önemli parametrenin (parçacık boyutu, yüzey alanı, kristalinite, aktif fasetler, oksijen boşlukları vb.) de varlığı saptanmıştır.
Özet (Çeviri)
One of the most important technologies for a better human life is environmental purification which has drawn attention and gained importance over the past years. Titanium dioxide has been the apple of the eye of both air and water purification systems for its strong ability of oxidation, low cost, nontoxicity, inertness and availability. However, being a wide band gap semiconductor, titanium dioxide can mostly absorb UV photons (lambda < 387 nm) in the sun light, which is only about 3% of the total solar radiation. In this regard, sensitizing titanium dioxide based materials capable of visible light absorption via doping methods is a challenging but yet a rewarding effort. In the current work, a variety of doping protocols have been employed in conjunction with sol-gel titanium dioxide synthesis protocols in an attempt to prepare visible-active photocatalytic powders. This study has been a preliminary work to propose a simple sol-gel synthesis route for the preparation of visible-active titanium dioxide in order to combine with previously studied UV active titanium dioxide powders to create tandem systems that will harvest both visible and UV light for water and air purification. Along these lines, two different sets of samples were prepared and investigated. The first set of samples was prepared by a sol-gel route with the addition of non-metallic compounds of Ti which are TiN, TiC and TiS2. Non-metal atom to titanium mol ratio was kept at 0.1:1 and the syntesized powders were characterized by XRD, Raman Spectroscopy, BET, UV-VIS Diffuse Reflectance Spectroscopy in order to investigate the effect of calcination temperature, surface area and band gap on photocatalytic activity. Besides, these commercial TiN, TiC and TiS2 powders that were used as dopants, were also annealed in open air to prepare partially oxidized titanium materials. Secondly, inexpensive sources of non-metal compounds such as boric acid, diethanolamine (DEA), triethylamine (TEA), thiourea, urea and cyclohexanol were added in an alternative sol gel synthesis route. Dopant compound to titanium dioxide mol ratio was also kept at 0.5:1. Structural and electronic characterization of this family of materials were also carried out in addition to photocatalytic activity tests. Photocatalytic activity measurements were done in liquid phase via the degradation of an organic contaminant, Rhodamine B, in a custom-designed VIS-illuminated photocatalytic reaction cells. Photocatalytic performance of all samples were compared with that of a commercially available Degussa P25 TiO2 benchmark catalyst. Photocatalytic preformance tests revealed improved photocatalytic activity for non-metal compound added titanium dioxide compared to unmodified titanium dioxide prepared with the same method. Also, several samples presented even higher photocatalytic activity compared to Degussa P25. Characterization experiments showed hinderance in anatase to rutile transformation due to foreign atoms. It was also observed that although a small band gap is important for the photocatalytic activity, there are other critical parameters such as particle size, surface area, crystallinity, active facets, oxygen vacancies which have to be fine tuned for photocatalytic performance optimization.
Benzer Tezler
- Application of semi conductor films over glass/ceramic surfaces and their low temperature photocatalytic activity
Cam/seramik yüzeylere yarı iletken film uygulamaları ve bu filmlerin düşük sıcaklıkta fotokatalitik aktivitesi
TUĞÇE İRFAN ERSÖZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. GÜRKAN KARAKAŞ
- İkili ametal katkılı görülür ışık duyarlı TiO2 fotokatalizörlerinin hazırlanması, karakterizasyonu ve fotokatalitik aktivitesi
Visible light active non-metal co-doped TiO2 photocatalysts: preparation, characterization and photocatalytic activity
SİBEL SEVER
- Development and characterization of ceramic nanofiber membranes for dye removal from textile wastewater
Tekstil atıksularından boya giderimi için seramik nanofiber membranların geliştirilmesi ve karakterizasyonu
NURAY YERLİ SOYLU
Doktora
İngilizce
2024
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN
- Tekstil atıksularındaki boyar maddelerin fotokatalitik oksidasyon ile giderimi için zno bazlı katalizörlerin geliştirilmesi
Development of zno based catalysts for photocatalytic degradation of dyes in textile wastewater
BEYZA DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELEK TÜTER
PROF. DR. ŞEYMA AYDINOĞLU
- Hidrotermal yöntemle TiO2 içerikli nanoyapılı malzemelerin sentezi ve multifonksiyonel kullanımlarının araştırılması
Investigation of the synthesis and multifunctional use of TiO2 containing nano-structured materials by hydrothermal method
GÜNAY GÖKTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Enerjiİnönü ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FUNDA ATALAY
DOÇ. DR. HARUN KAYA