Geri Dön

Synthesis and catalytic applications of metal oxide based materials in particulate form

Partikül formunda metal oksit bazlı malzemelerin sentezi ve katalitik uygulamaları

PDF İndir

  1. Tez No: 392784
  2. Yazar: KADRİYE ÖZLEM HAMALOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SÜLEYMAN ALİ TUNCEL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Chemical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2015
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 194

Özet

Bu tez kapsamında, altın nanopartiküllerle (AuNP) dekore edilmiş ya da edilmemiş hem titanyum dioksit (TiO2) hem de manyetik titanyum dioksit katalizörlerinin sentezi için yeni sol-jel kalıplama yöntemi geliştirilmiş, ve bu katalizörlerin fotokatalitik ve plazmonik katalitik aktiviteleri incelenmiştir. Tezin ilk kısmında, eş boyutlu-gözenekli titanyum dioksit mikroküreler yeni bir sol-jel kalıplama yöntemi ile sodyum sülfonat (-SO3Na) bağlı polimetakrilat mikrokürelerin kalıp olarak kullanılmasıyla sentezlenmiştir. -SO3Na bağlı polimerik kalıpların hazırlanması için başlangıç materyali olarak 5.4 µm boyutlarında sentezlenmiş olan eş boyutlu-gözenekli poli(3-kloro-2-hidroksipropil metakrilat-co-etilen dimetakrilat), poli(HPMA-Cl-co-EDMA) mikroküreler kullanılmıştır. Titanyum dioksit-polimer kompozit mikrokürelerinin elde edilmesi için, -SO3Na bağlı polimetakrilat mikrokürelerin titanyum klorür (TiCl4) prekürsörü ile sulu ortamda etkileştirilmesi ve daha sonra da amonyak ile yıkanması üzerine kurulu yeni bir sol-jel kalıplama yöntemi geliştirilmiştir. Yöntemin en son basamağında eşboyutlu-gözenekli titanyum dioksit mikroküreleri elde etmek için kompozit mikroküreler kalsine edilmiştir. 3.0-5.0 µm boyut aralığında, kratere-benzer ya da küçük gözenekli yapılarda, spesifik yüzey alanları 50-91 m2/g aralığında olan titanyum dioksit partiküller; -SO3Na bağlı polimetakrilat mikrokürelerin konsantrasyonunun, polimetakrilat mikrokürelerin çapraz bağlayıcı yoğunluğunun ve kalsinasyon sıcaklığının değiştirilmesi ile elde edilmiştir. Titanyum dioksit mikrokürelerin sentezinde yaygın olarak kullanılan poli(stiren-ko-divinilbenzen), poli(S-co-DVB) tipindeki kalıpların yerine, düşük sıcaklıklarda termal olarak bozunan polimetakrilat kalıpların seçilmesi; titanyum dioksit-polimer kompozit mikrokürelerin kalsinasyonunun düşük sıcaklıklarda yapılmasına olanak sağlamıştır. Bu sebeple, kalsinasyonun düşük sıcaklıklarda yapılması ile daha yüksek spesifik yüzey alanına ve yüksek oranlarda anataz faz içeren kristal yapıya sahip eşboyutlu-gözenekli titanyum dioksit partiküller elde edilmiştir. Manyetik formda eş boyutlu-gözenekli titanyum dioksit mikrokürelerin sentezi için de yeni bir sol-jel kalıplama protokolü geliştirilmiştir. Bu amaçla, demir tuzlarının ikili çöktürme yöntemi ile birincil amin bağlı-(HPMA-Cl-co-EDMA) mikrokürelerine çöktürülmesiyle manyetik polimerik mikroküreler elde edilmiştir. Manyetik titanyum dioksit mikrokürelerin sentezi için, titanyum dioksit mikrokürelerinin üretiminde kullanılan sentez metodunda bazı modifikasyonlar yapılmıştır. Titanyum dioksit-manyetik polimetakrilat kompozit mikrokürelerin 450oC'de kalsinasyonu ile 5.5 m boyutlarında, eş boyutlu-gözenekli manyetik titanyum dioksit mikrokürler elde edilmiştir. Yeni bir plazmonik katalizör ya da fotokatalizör olarak AuNP dekore edilmiş titanyum dioksit ve manyetik titanyum dioksit mikroküreler, bu tez kapsamında geliştirilen metodlarla sentezlenmiştir. Bu amaçla, Turkevich ve Martin metodlarıyla sentezlenen, sırasıyla 20 ve 3 nm boyutlarında olan AuNP'ler birincil amin bağlı, eş boyutlu-gözenekli titanyum dioksit ve manyetik titanyum dioksit mikrokürelerin üzerine dekore edilmiştir. AuNP dekore edilmiş ve edilmemiş titanyum dioksit ve manyetik titanyum dioksit mikroküreler, taramalı elektron mikroskobu, X-Işını kırınım spektrofotometresi, elementel analiz, örnek titreşimli manyetometre ve azot adsorpsiyon-desorpsiyon yoluyla yüzey alanı/gözenek boyut analizi ile karakterize edilmiştir. AuNP dekore edilmiş ve edilmemiş titanyum dioksit ve manyetik titanyum dioksit mikrokürelerin fotokatalitik aktiviteleri, organik bir kirletici olan RB5 tekstil boyasını içeren kesikli sistemde belirlenmiştir. pH, katalizör miktarı, kristal kompozisyonu ve yüzey alanı, başlangıç substrat konsantrasyonu gibi çalışma koşullarının RB5 boyasının fotokatalitik degredasyonuna etkisi, titanyum dioksit ve manyetik titanyum dioksit mikroküreleri ile belirlenmiştir. RB5 boyasının tam fotokatalitik degredasyonu, hem titanyum dioksit hem de manyetik titanyum dioksit mikroküreleri ile elde edilmiştir. Turkevich AuNP'lerin yerine Martin AuNP'lerin dekore edilmesiyle, titanyum dioksit mikrokürelerin fotokatalitik aktiviteleri önemli derecede geliştirilmiştir. Küçük boyutlardaki AuNP'lerin elektron transfer karakteristiklerinden dolayı, bu partiküllerin titanyum dioksit mikrokürelere dekore edilmesi fotokatalitik degredasyon hızında önemli bir gelişme sağlamıştır. Fakat, Martin AuNP dekore edilmiş manyetik titanyum dioksit mikroküreler ile bir gelişme elde edilememiştir. AuNP dekore edilmiş ve edilmemiş titanyum dioksit ve manyetik titanyum dioksit mikrokürelerin fotokatalitik davranışları; daha yaygın bir organik kirletici olan fenol kullanılarak da kesikli sistemde çalışılmıştır. pH, katalizör miktarı, kristal kompozisyonu ve yüzey alanı, başlangıç substrat konsantrasyonu gibi çalışma koşullarının fenolün fotokatalitik degredasyonuna etkisi titanyum dioksit mikroküreleri ile belirlenmiştir. Fenolün tam fotokatalitik degredasyonu sadece titanyum dioksit mikrokürelerle elde edilmiştir. Titanyum dioksit mikrokürelerin aksine, fenolün tam fotokatalitik degredasyonu manyetik titanyum dioksit mikroküreler ile elde edilememiştir. Ancak, titanyum dioksit ve manyetik titanyum dioksit mikrokürelere Martin ve Turkevich AuNP'lerin dekore edilmesi her iki katalizör için de fotokatalitik aktivitede azalmaya neden olmuştur. AuNP dekore edilmiş manyetik titanyum dioksit mikrokürelerinin plazmonik katalitik aktivitesi, organik kirletici olan 4-NP kullanırak belirlenmiştir. Bu deneylerde; AuNP boyutunun, Au yüklemesinin, katalizör miktarının, başlangıç substrat konsantrasyonunun ve sıcaklığın 4-NP'nin fotokatalitik degredasyonu üzerine etkisi kesikli sistemde belirlenmiştir. Turkevich AuNP ile dekore edilmiş manyetik titanyum dioksit mikrokürelerin yerine daha küçük boyutlardaki Martin AuNP ile dekore edilmiş manyetik titanyum dioksit mikrokürelerin kullanılmasıyla, plazmonik katalitik aktivitede önemli bir gelişme elde edilmiştir. Bu plazmonik katalizörü kullanarak sulu çözeltideki 4-NP 4-AP'ye 2 dakikada dönüştürülmüştür. Sonuçlar polimetakrilat bazlı yapılarla geliştirilen sol-jel yöntemlerinin titanyum dioksit ve manyetik titanyum dioksit mikrokürelerin sentezi için uygun olduğunu göstermiştir. Literatürle karşılaştırıldığında, yeni titanyum dioksit bazlı katalizörlerle azo-boya ve fenol için daha yüksek fotokatalitik degredasyon hızları ve 4-nitrofenol için daha yüksek plazmonik katalitik degredasyon hızı gözlemlenmiştir.

Özet (Çeviri)

In this thesis, new sol-gel templating methods for the synthesis of titanium dioxide (TiO2) based catalysts in both bare and magnetic forms with or without gold nanoparticle decoration were developed, and their photocatalytic activity and plasmonic catalytic activity were investigated. In the first part of this thesis, monodisperse-porous bare titania microbeads were synthesized by new sol–gel templating method by using sodium sulfonate (-SO3Na) attached-polymethacrylate microbeads as template. Newly synthesized monodisperse-porous poly(3-chloro-2-hydroxypropyl methacrylate-co-ethylene dimethacrylate), poly(HPMA-Cl-co-EDMA) microbeads 5.4 µm in size were used as starting material for the preparation of -SO3Na attached-polymethacrylate template. The new sol-gel templating protocol was applied by treating -SO3Na attached-polymethacrylate microbeads with the titania precursor, titanium chloride (TiCl4) in an aqueous medium and washing subsequently with ammonia to obtain titania-polymer composite microbeads. The composite microbeads were calcined to have monodisperse-porous bare titania microbeads. The bare titania microbeads in the size range of 3.0-5.0 µm with crater-like or fine porous structures with the specific surface areas ranging between 50-91 m2/g were obtained by changing the concentration and crosslinking density of -SO3Na attached-polymethacrylate template microbeads and the calcination temperature. The selection of a polymethacrylate template decomposed at lower temperatures with respect to poly(styrene-co-divinylbenzene), poly(S-co-DVB) templates, commonly used for synthesis of porous titania microbeads, allowed to perform the calcination of titania-polymer composite microbeads at lower temperatures. Hence, monodisperse-porous titania microbeads with higher specific surface area and a crystalline structure with higher percent of anatase phase could be obtained by performing calcination at lower temperatures. A new sol gel templating protocol was also first developed for the synthesis of monodisperse-porous titania microbeads in the magnetic form. For this purpose, the magnetic polymer template was obtained by co-precipitation of iron salts onto the primary amine attached-poly(HPMA-Cl-co-EDMA) microbeads and alkaline reduction of iron salts to magnetic iron oxide nanoparticles immobilized within the polymethacrylate microbeads. For the synthesis of magnetic titania microbeads, the method proposed for bare titania microbeads was applied with some modifications. The magnetic titania microbeads in the monodisperse-porous form 5.5 m in size were achieved by the calcination of titania-magnetic polymethacrylate composite microbeads at 450oC. As a new plasmonic catalyst or photocatalyst, AuNP decorated forms of the bare and magnetic titania microbeads were also synthesized via the methods developed in this thesis. For this purpose, AuNPs synthesized by Turkevich and Martin methods 20 and 3 nm in size, respectively were decorated onto the primary amine attached forms of bare and magnetic titania microbeads in the monodisperse and porous form. The bare, magnetic and AuNP decorated forms of bare and magnetic titania microbeads were characterized in terms of scanning electron microscopy, x-ray diffraction spectrophotometry, elemental analysis, vibrating sample magnetometry and surface area and pore-size analysis via nitrogen adsorption-desorption method. The photocatalytic activities of bare and magnetic titania microbeads and their AuNP decorated forms were determined in batch fashion including a textile dye, RB5 as an organic contaminant. The effects of operational parameters such as pH, catalyst amount, crystal composition and surface area, initial substrate concentration on the photocatalytic degradation of RB5 dye with bare and magnetic titania microbeads were determined. The complete removal of RB5 dye was achieved with both bare and magnetic titania microbeads. The decoration of Martin AuNPs instead of Turkevich AuNPs markedly enhanced the photocatalytic activity of titania microbeads. The decoration with AuNPs with lower size resulted in a significant enhacement in the photocatalytic degradation rate due to electron transfer characteristics of AuNPs with lower size. However, an enhancement could not be achieved with the Martin AuNP decorated magnetic titania microbeads. The photocatalytic behaviours of bare and magnetic titania microbeads and their AuNP decorated forms were also studied using phenol as a more common organic contaminant in batch fashion. The effects of pH, catalyst amount, initial substrate concentration on the photocatalytic degradation of phenol with bare titania microbeads were determined. The complete photocatalytic degradation of phenol was obtained only using bare titania microbeads. In contrast to the bare titania microbeads, the complete phenol removal could not achieved with magnetic titania microbeads. On the other hand, the decoration of Martin and Turkevich AuNPs onto the bare and magnetic titania microbeads resulted in reduced photocatalytic activities for both photocatalysts. The plasmonic catalytic activity of AuNP decorated magnetic titania microbeads was determined by using 4-NP as the organic contaminant. In these runs, the effects of AuNP size, Au loading, catalyst amount, initial substrate concentration and temperature on the photocatalytic degradation of 4-NP were determined in batch fashion. A signficant enhancement in the plasmonic catalytic activity was obtained with Martin AuNP decorated magnetic titania microbeads, in which AuNP size was smaller, compared to Turkevich AuNP decorated magnetic titania microbeads. Using this plasmonic catalyst, 4-NP in an aqueous solution could be converted into 4-AP within 2 min. The results showed that the new sol-gel methods developed with the polymethacrylate based templates were adequate for the synthesis of both bare and magnetic titania microbeads. Higher photocatalytic degradation rates for an azo-dye and phenol and higher plasmonic catalytic degradation rate for 4-nitrophenol were observed with the new titania based catalysts compared to the literature.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    843839

    Synthesis and characterization of magnesium cobalt oxide and chromium cobalt oxide nanoparticles anchored ZnO semiconductor and their investigation as a catalyst in electrochemical water splitting

    Magnezyum kobalt oksit ve krom kobalt oksit nanoparçacıklarına bağlı ZnO yarı iletkenlerinin sentezi, karakterizasyonu ve elektrokimyasal su bölmesinde katalizör olarak incelenmesi

    EMİNE ECEM NAS

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMREN NALBANT

  2. Tez No

    455355

    Püskürtmeli kurutma ve termal bozunma prosesleri ile ZnO esaslı partiküllerin ve kompozit yapıların sentezlenmesi ve karakterizasyonu

    Characterization and synthesis of ZnO based particles and composite structures via spray drying and thermal decomposition processes

    ŞEYMA DUMAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Seramik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURAK ÖZKAL

  3. Tez No

    413249

    Investigation of NO2 and SO2 adsorption/desorption properties of advanced ternary and quaternary mixed oxides for denox catalysis

    SO2 ve NO2 moleküllerinin denox katalızörü olarak kullanılan üçlü ve dörtlü karmaşık oksit yapılar üzerindeki emilim ve salınım özelliklerinin incelenmesi

    ZAFER SAY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. EMRAH ÖZENSOY

  4. Tez No

    888652

    Investigation of CO2 adsorption performance of spinel oxide & metal-organic structures

    Spınel oksıt & metal-organık yapıların CO2 adsorpsıyon performansının araştırılması

    DİLARA KÜÇÜKAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER SARIOĞLAN

  5. Tez No

    709863

    Nanomaterials in macromolecular synthesis

    Makromoleküler yapıların sentezinde nanomalzemelerin kullanımı

    AZRA KOCAARSLAN AHMETALİ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YUSUF YAĞCI

Geri Dön