Synthesis of chitosan and titanium dioxide based plasmonic catalysts for the catalytic reduction of phenolic compounds
Fenolik bileşiklerin katalitik olarak indirgenmesinde kullanılmak üzere kitosan ve titanyum dioksit destekli plazmonik katalizör sentezi
- Tez No: 456914
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜLYA YAVUZ ERSAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
Bu tez kapsamında, atık sularda sıklıkla rastlanan toksik fenolik bileşiklerden 4-Nitrofenolün sulu ortamda katalitik indirgenme yoluyla giderimi için uygun 2 yeni heterojen plazmonik katalizör sisteminin geliştirilmesi ve bu sistemlerin katalitik performansının belirlenmesi amaçlanmıştır. Heterojen katalizörlerin üretiminin, plazmonik altın nanopartiküllerin (AuNP), son yıllarda önem kazanmış ve gelecek vaadeden kitosan ve titanyum dioksit destek maddelerine immobilizasyonu ile gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir. Katalizörlerin katalitik aktiviteleri 4-Nitrofenolün indirgeme ajanı olan NaBH4 varlığında indirgenmesi sırasında değerlendirilmiştir. Bu deneylerde, destek madde-metal nanopartikül etkileşiminin, AuNP boyutunun, AuNP yükleme miktarının, katalizör miktarının ve başlangıç 4-Nitrofenol başlangıç konsantrasyonun katalitik aktiviteye etkisi kesikli sistemde belirlenmiştir. Bu amaç doğrultusunda ilk olarak katalizör destek maddeleri üretilmiştir. Mikrojel formundaki kitosan tanecikler, kitosan çözeltisinin kimyasal modifikasyonuyla meydana gelmiştir. Glutaraldehitin çapraz bağlayıcı olarak kullanıldığı çapraz bağlama işleminin sonucunda 3 mm çapında, eş boyutlu, 1.3 m2/g yüzey alanına sahip kitosan tanecikler elde edilmiştir. Diğer bir katalizör destek maddesi olan TiO2 küreler ise tek aşamalı sol-jel yöntemiyle üretilmiştir. Küreler, titanyum isopropoksit prekürsörünün, methanol ve asetonitrilden oluşan çözücü ortamında hidrolizi ile elde edilmiştir. İşlem sonucunda, 0.7-1.2 m boyut aralığında, 277.4 m2/g yüzey alanına sahip küreler sentezlenmiştir. Küreler, yapısına altın nanopartiküllerin bağlanabilmesi için Aminopropiltrietoksisilan (APTES) ile muamele edilmiş ve yapısına fonksiyonel amin grubu eklenmiştir. Katalizör destek maddeleri, Turkevich ve Martin metotlarıyla sentezlenen, sırasıyla 12 ve 3 nm boyutlarına sahip altın nanopartiküllerinin çözeltilerine ayrı ayrı eklenmiş ve bu nanopartiküllerle dekore edilmişlerdir. Altın nanopartiküllerle dekore edilmiş ve edilmemiş kitosan mikrojel tanecikler ve TiO2 küreler taramalı elektron mikroskobu, geçirimli elektron mikroskobu, X-ışını kırınım spektrofotometresi, EDX ve azot adsorpsiyon-desorpsiyon yöntemiyle yüzey alanı analizi ile karakterize edilmişlerdir. Heterojen katalizörler 4-Nitrofenolün katalitik indirgenmesi işleminde kullanılmışlardır. Küçük altın nanopartikülllerin elektron transfer karakteristiklerinden dolayı, Martin AuNP ile dekore edilmiş kitosan mikrojel taneciklerin ve TiO2 kürelerin Turkevich AuNP ler ile dekore edilenlerle kıyaslandığında plazmonik katalitik aktivitede önemli bir gelişime yol açtığı gözlenmiştir. 2.5 % (w/w %) Martin AuNp yükleme miktarına sahip 10 mg Au/Kitosan katalizörün, 7.5 ppm başlangıç konsantrasyonuna sahip 4-Nitrofenolü 12 dakika sonununda tamamen indirgediği gözlenmiştir. %2 Martin AuNp yükleme miktarına sahip 12.5 mg Au/TiO2 katalizörün ise 7.5 ppm başlangıç konsantrasyonuna sahip 4-Nitrofenolü 60 saniye sonunda tamamen indirgediği gözlenmiştir. Katalizörlerin geri kazanımının ve aynı reaksiyon şartlarında tekrar kullanılmasının mümkün olduğu gözlenmiştir. Literatürde önerilen benzer maddelerin farklı formlarını veya farklı maddelerin benzer formlarını içeren heterojen katalizörlerin kullanıldığı giderilme yöntemleriyle karşılaştırıldığında, 4-Nitrofenol bertarafının, üretilen Au/Kitosan ve Au/TiO2 katalizörlerin varlığında yürütülen katalitik indirgeme yöntemiyle daha hızlı ve daha yüksek verimle gerçekleştiği belirlenmiştir. Bu çalışmayla, ilk kez, basit üretim yöntemleriyle ve kısa zamanda, enerji tasarruflu, biyouyumlu, yüksek katalitik aktiviteye sahip mikrojel tanecik formunda Au/kitosan ve özgün boyut ve yapıya sahip küre formunda Au/TiO2 üretilmiştir. Mekanik dayanımı yüksek, yüksek metal etkileşim kapasitesine sahip destek maddelerine yeni bir kullanım alanı kazandırılmıştır.
Özet (Çeviri)
The purpose of this thesis is the fabrication and performance evaluation of new catalysts which enable the elimination of toxic pollutants such as 4-Nitrophenol (4-NP) by means of heterogeneous catalytic reduction in an aqueous environment. Production of two different catalysts was achieved by the immobilization of the plasmonic gold nanoparticles (AuNP) into the chitosan and titanium dioxide support materials, respectively. The plasmonic catalytic activities of fabricated catalysts were evaluated within the reduction of 4-Nitrophenol in the presence of sodium borohydride (NaBH4) as a reducing agent. The effects of type of support material and size of nanoparticle as performance enhancing parameter, loading amount of nanoparticle, catalyst amount and initial 4-Nitrophenol concentration as operational parameters are evaluated in batch fashion. In line with this purpose, firstly the support materials were synthesized. Chitosan microgel beads were obtained by the chemical modification of chitosan solution. The monodisperse chitosan microgel beads, 3 mm in size with the specific surface area of 1.3 m2/g, were synthesized by crosslinking reaction in which glutaraldehyde served as a cross-linker. Titanium dioxide (TiO2) spheres as second support material, were obtained by one-step sol-gel method. TiO2 spheres in the size range of 0.7-1.2 m with the specific surface area 277.4 m2/g were synthesized along with the hydrolysis of titania precursor, titanium isopropoxide in a continuous medium including methanol and acetonitrile. TiO2 spheres were derivatized with Aminopropyltriethoxysilane (APTES), that enables TiO2 to adsorb gold atoms through the amine groups on its surface. In the next stage, the support materials were added into the solutions of gold nanoparticles that have been synthesized with Turkevich (12 nm) and Martin (3 nm) Methods, respectively. The bare, Turkevich AuNP decorated and Martin AuNP decorated support materials were characterized by energy-dispersive x-ray spectroscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, x-ray diffaraction spectrophotometry and surface area analysis via nitrogen adsorption- desorption method. The gold nanoparticle decorated chitosan microgel beads and TiO2 spheres were used in the reduction of 4-Nitrophenol, individually. The decoration with Martin AuNPs with lower size resulted in a significant enhancement in the plasmonic catalytic reduction rate owing to the electron transfer characteristics of AuNPs with lower size. The complete reduction of 4-Nitrophenol having initial concentration of 7.5 ppm was achieved within 12 minutes in the presence of 10 mg Martin AuNP decorated chitosan microgel beads as catalyst (%2.5 (%w/w) AuNP loading). On the other hand, the complete reduction of 4-Nitrophenol having initial concentration of 7.5 ppm was achieved within 60 seconds in the presence of 12.5 mg Martin AuNP decorated TiO2 spheres as catalyst (%2 (%w/w) AuNP loading). The recovery and reusability studies, conducted under the same experimental conditions, indicated that the catalysts are reusable for reduction of 4-Nitrophenol. In the plasmonic catalytic reduction of 4-Nitrophenol via Au/chitosan and Au/TiO2 catalysts, higher catalytic activities were obtained when compared to the other treatment methods, introduced in literature, involving catalysts supported with similar forms of different materials or different forms of similar materials. In this thesis, for the first time, Au/chitosan catalyst in the microgel bead form and Au/TiO2 catalyst in sphere form having novel structures and sizes were synthesized via simple, cost-effective, energy and time saving and environmentally friendly methods. Moreover, this study introduces biodegradable, porous, low-cost, mechanically stable catalysts that are able to form strong interaction with metal nanoparticles to the catalytic applications in favor of high catalytic activities.
Benzer Tezler
- Yakıt hücrelerinde kullanmak üzere nanokompozit membran sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of nano composite membrane for the fuel cells
ALPAY ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2013
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İRFAN AR
- Biyomimetik yöntem ile hidroksiapatit sentezi ve uygulamaları
Hydroxyapatite synthesis by biomimetic method and applications
SERBÜLENT TÜRK
Doktora
Türkçe
2020
KimyaSakarya ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT ÖZACAR
PROF. DR. CUMA BİNDAL
- Düşük ve orta molekül ağırlıklı kitosan esaslı hidrojellerin sentezi, karakterizasyonu ve biyobozunurluk özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of low and medium molecular weight chitosan based hydrojels, characterization and investigation of biodegradability properties
HANİFE SONGÜL KAÇOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Polimer Bilim ve TeknolojisiYalova ÜniversitesiPolimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MİTHAT ÇELEBİ
ÖĞR. GÖR. ÖZGÜR CEYLAN
- Bitki ekstraktı içeren kitosan agar hidrojellerin sentezi ve antioksidan özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of chitosan agar hydrogels containing plant extract and investigation of antioxidant properties
BEKİR ASLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
KimyaHatay Mustafa Kemal ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHİR TİMUR
- Alternatif bir adsorban olarak kitosan/hegzagonal bor nitrür kompozitlerinin sentezi ve Reactive Blue 49 boyar maddesinin adsorpsiyonunda kullanımı
Synthesis of chitosan/hexagonal boron nitride composites as an alternative adsorbent and the use in adsorption of Reactive Blue 49 dye
ABDULLAH DÜZGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SAHRA DANDIL