Investigation of the stability of fumed SiO2/metal oxides (MO=Al2O3, TiO2) under harsh hydrothermal conditions
İsli SiO2/metal oksitlerin (MO=Al2O3, TiO2) hidrotermal koşullarda stabilitelerinin incelenmesi
- Tez No: 473040
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET SUAT SOMER, DOÇ. DR. UĞUR ÜNAL, DOÇ. DR. GÜLDEM KARTAL ŞİRELİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 70
Özet
İsli metal/metaloit oksitler (örneğin; alümina, titania, silika vb.) kimya endüstrisinden gıda teknolojilerine kadar geniş yelpazede kullanıma sahip önemli hammaddelerdir. İsli silikanın, SiO2, farmasötik katalizör, petrokimyasal parçalama ve biyolojik atıkların yeniden kazanımları için üretilen katalizörlerin uygulamalarında yaygın kullanılmasından dolayı hidrotermal stabilitesi önemli bir etkendir. İsli silika bazlı malzemelerin; geniş yüzey alanına (50 - 400m2/g) ve yüksek por hacmine sahip olmaları kataliz uygulamalarında aktif bölgelerin yüzeyde verimli olarak dağılımına ve büyük moleküllerin difüzyonunun kolaylaşmasına imkân vermektedir. Ancak isli silikanın suya karşı düşük stabilitesinden oluşan yüzey hidrolizi, uygulama alanlarını kısıtlamıştır. Bu yüzden stabiliteyi artırmaya yönelik bu alandaki ArGe çalışmaları yüksek ilgi görmektedir. Silikanın hidrotermal stabilitesini artırmak için tuz katkısı, por duvar kalınlıklarının geliştirilmesi ve silikanın üretim süreci sırasında veya sonrasında yapılan hetero atom eklemeleri dahil olmak üzere birçok farklı metotlar kullanılmıştır. Bu çalışmada, alev hidrolizi yöntemiyle sentezlenmiş isli SiO2 ve kompozitlerinin hidrotermal stabiliteleri araştırılmıştır. Saf isli silika, isli alümina ve farklı yüzdelerde Al2O3 ve TiO2 katkılı ikili isli karışık oksitler, 24 saat ve 7 gün hidrotermal koşullarda işlem görmüştür. Nitrojen adsorpsiyonu kullanılarak bütün numunelerin yüzey alanları Brunauer-Emmett-Teller (BET) metoduyla, por hacmi ve por maximumları ise Barrett-Joyner-Halenda (BJH) metoduyla hesaplanmıştır. Hidrotermal işlemlemlerin sonucunda, BJH por hacim analizi saf alümina için % 98, saf silika için % 75 ve Al2O3 katkılı silica için % 26 düşüş kaydetmiştir. XRD ölçümleri de tüm numunelerin işlem sonrasında amorf yapılarını koruduklarını göstermektedir. BET analizleriyle de hidrotermal uygulamaların, oksitlerin yüzey alanına etkisi ölçülmüştür ve en yüksek fark % 92'lik bir düşüş ile saf alüminanın sonrasında da % 83 ile saf silikanındır. Al2O3 ve TiO2 katkısının SiO2'nın yüzey dayanıklılığını arttırdığı ve yüzey alanındaki küçülme oranını azalttığı gözlemlenmiştir. Bu iyileştirme, katkı miktarı (% 0.8 – % 1.0) ile de doğru orantılıdır. Örneğin silikaya % 1.0'lık Al2O3 veya TiO2 katıldığında yapının daha stabil olduğu ve (BET) yüzey alanının sırasıyla % 31 ve % 26 azaldığı kaydedilmiştir. Katkı etkisini sıralamak gerekirse eğilim şu şekildedir: TiO2-katkılı silika > Al2O3-katkılı silika > saf silika. Titanyumun alüminyumdan ve silisyumdan daha elektropozitif olması bu sebeple de yüzeydeki -OH gruplarındaki elektronlara olan yüksek ilgisi yukarıdaki eğilimi açıklamaktadır. Aynı sebeple, TiO2 katkılı numunelerdeki yüzey –OH grupları suya direnç göstererek yüzey alanının daha korunaklı ve stabil olmasını sağlamıştır. Katkı malzemesinin eklenmesi saf silikaya göre M-O-Si (M = Al, Ti) bağlarını daha da kutuplaştırarak ve güçlendirerek dayanıklı yüzey oluşturur. Silikaya % 0.5'lik yüzey alümina katkısıyla % 1.0'lik yığın katkısı arasında yüzey katkısının daha iyi hidrotermal dayanıklılık gösterdiği görülmüştür, bunun sebebi ise miktarın düşük olmasına rağmen yüzey yoğunluğunun daha yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Bu çalışma sonucunda hidrolitik alev metoduyla sentezlenen Al2O3 ve TiO2 katkılı SiO2 ların yüksek saflığı ve sert hidrotermal koşullardaki dayanıklılığı sebebiyle katalitik uygulamalar alanında gelecek vadeden seçenekler arasında olduğu belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Fumed metal/metalloid oxides, FMO (such as alumina, titania, silica etc.) are important raw materials for various industrial applications from chemical industries to food technologies. Due to extensive use of fumed SiO2 as a carrier in pharmaceutical applications, catalysis applications, cracking petrochemicals, and conversion for production of bio-renewables, hydrothermal stability is a critical requirement. Fumed silica based materials have high specific surface areas in the range of 50 and 400 m2/g which allows an efficient dispersion of active sites and large pore volume that favours the diffusion of bulky molecules in catalysis applications, however, their applications are limited by their poor stability due to the hydrolysis of their surfaces. Therefore; the research on developing hydrothermally stable mesoporous materials for catalytic applications has gained interest. To improve the hydrothermal stability of SiO2, many different methods are used such as adding salt, increasing pore wall thickness, and incorporating heteroatoms in situ or by post treatments. In the present study, the stability of fumed SiO2 materials and composites produced by flame hydrolysis is investigated under hydrothermal conditions applied for 24 hours and 7 days. Specifically, pure fumed silica, fumed alumina, and binary fumed mixed oxides of Al2O3- and TiO2-doped silica samples with various doping percentages are used for hydrothermal treatment. Surface areas of all untreated and hydrothermally treated samples are calculated by Brunauer-Emmett-Teller (BET) analysis and pore volume & pore maximum are calculated by Barrett-Joyner-Halenda (BJH) analysis by using nitrogen adsorption method. After hydrothermal treatment, BJH pore volume analysis shows decreases of 98 % for pure alumina, 75 % for pure silica and 26 % for Al2O3-doped silica in the pore volumes, respectively. According to powder X-ray Diffraction (XRD) analysis, all of the samples maintained their amorphous structure after the treatment. BET analysis indicates that after hydrothermal treatment, pure alumina and pure silica reveal the highest BET surface area reduction by 92 and 83 %, respectively. On the other hand, incorporation of Al2O3 and TiO2 into the silica matrix enhanced the surface stability and minimize the surface area reduction. Moreover, as doping amount increases (e.g. 0.8 to 1.0 wt %) the surface of the materials becomes more stable. Comparison of 1.0 % Al2O3- and TiO2-doped silica samples shows that incorporation of Al2O3 and TiO2 stabilizes the structure yielding BET surface area reduction by 31% and 26 %, respectively. The trend of surface area stabilization by doping follows the order: TiO2-doped silica > Al2O3-doped silica > pure silica. Titanium is a more electropositive dopant than aluminum and silicon itself and it has a higher affinity to the electrons of surface OH- groups. Therefore, in the TiO2-doped samples, surface OH- groups are resistant to water molecules resulting more stable samples in terms of surface area protection. Furthermore, due to the doping, the M-O-Si (M= Al, Ti) bonds are more polar and stronger than the pure silica case which in turn stabilizes the surface. The comparison of the Al2O3 doping on the surface (0.5 %) and into the bulk (1.0 %) of SiO2 reveals that the former shows an enhanced hydrothermal stability related to the higher concentration of the doping material on the surface. The results of this study shows that flame hydrolytically synthesized Al2O3- and TiO2-doped silica samples are promising materials not only due to their high purity and also due to their use under harsh hydrothermal conditions of catalysis applications.
Benzer Tezler
- Sprey kaplama yöntemi ile üretilen SiO2 temelli süperhidrofobik kaplamaların mekanik kararlılıklarının incelenmesi
Investigation of the mechanical durability of SiO2 based superhydrophobic coatings produced with spray coating method
ALİ HAYDAR GÜNEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Havacılık MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiHavacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SİNAN FİDAN
- The electrochemical and optical investigation of the impacts of structural alterations on the conjugated polymers' backbone and side chain
Konjuge polimerlerde ana zincir ve yan zincirdeki yapısal değişikliklerin elektrokimyasal ve optiksel özelliklere etkisinin incelenmesi
ELİF DEMİR ARABACI
Doktora
İngilizce
2024
KimyaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET MUHTAR ÖNAL
DR. ÖĞR. ÜYESİ EROL YILDIRIM
- Alkil sübstitüentli ditiyenotiyofenlerin sentezi ve elektronik özelliklerinin incelenmesi
Syntheses of alkyl substituted dithienotiophenes and investigation of their electronic properties
FATMA DİKÇAL