Mechanochemical radical formation in cellulose ball milling and production of cellulose-metal nanoparticles composites
Bilyeli öğütme ile selülozda mekanokimyasal radikal oluşumu ve selüloz-metal nanoparçacık kompozitlerinin üretimi
- Tez No: 482314
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. BİLGE BAYTEKİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- 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: 156
Özet
Selüloz, tekrar eden 𝛽-1,4-glikosidik bağlarla birbirine bağlı D-glikoz moleküllerinden oluşmuş doğada en çok bulunan bir biyopolimerdir. Son on yılda sürdürülebilirlik ve yeşil kimya alanına olan artan ilgi nedeniyle selülozlu malzemeler dikkat çekmektedir. Selülozun bol miktarda bulunması, hafif, dayanıklı ve biyobozunabilir olması nedeniyle selüloz içeren kompozit malzemeler de doğa dostu, biyouyumlu, düşük maliyetli, hafif ve çok fonksiyonlu olabilmektedir. Metal nanoparçacıkları (NP) içeren selüloz kompozitleri (selüloz-metal NP kompoziti), metal NP ve selüloz matrisinin birleşmiş özelliklerinden dolayı birçok kullanım alanına sahiptir. Ancak selüloz-metal NP kompozitlerinin mevcut üretim metotları, metal iyonlarını indirgemek ve stabilize etmek için kullanılan zararlı kimyasalları gerektirdikleri için, genellikle çok adımlı, uzun ve çevre dostu olmayan yöntemler içermektedirler. Bu tez çalışması, bilyeli öğütme ile selüloz mekanoradikalleri üretiminin kalitatif ve kantitatif olarak, mekanik etki sonrası selüloz örneklerinde meydana gelen değişiklerle birlikte incelenmesi ve üretilen selüloz mekanoradikallerinin metal katyonlarını selüloz matrislerinde indirgenmesi için indirgen madde olarak kullanılarak selüloz-metal NP kompozitlerinin elde edilmesine odaklanmaktadır. İlk olarak, selüloz mekanoradikalleri -selüloz zincirindeki bağların mekanik etki altında (bilyeli öğütme ile) homolitik olarak kırılması sonucu oluşan serbest radikaller- kalitatif ve kantitatif olarak analiz edilmiştir. ESR spektroskopisi ile yapılan kalitatif analiz, oluşan radikallerin genellikle peroksil ve alkoksil radikalleri olduğunu göstermiştir. Selüloz örneklerinin (pamuk ve mikrokristal selüloz) ıslak ve kuru koşullarda öğütülmesi ile oluşan mekanoradikallerin sayısı DPPH çözeltisi kullanılarak, UV-Vis Spektroskopisi ile tayin edilmiştir. Kuru öğütme yönteminin daha fazla sayıda mekanoradikal üretimine neden olduğu gösterilmiştir. Öğütme sonrasında SEM, XRD ve FTIR-ATR analizleri ile izlenilen selüloz örneklerinde meydana gelen değişikliklerin mekanoradikal oluşumu ile paralellik gösterdiği rapor edilmiştir. Kuru koşullarda öğütmenin daha etkili olmasından dolayı, artan öğütme zamanı ile selüloz liflerinin boyutlarının sürekli azalması sonucu erişilebilir alanların artması yanında daha küçük parçacık boyutlu selülozun ve çoğunlukla amorf selülozun oluştuğu gözlemlenmiştir. Öğütülmüş selüloz örneklerinin, özellikle de kuru olarak öğütülmüş örneklerin FTIR-ATR analizleri, moleküller içi ve moleküller arası hidrojen bağları ve 𝛽-1,4-glikosidik bağların kırıldıkları göstermiştir. Son olarak selüloz mekanoradikalleri ilk defa indirgen madde olarak kullanılarak selüloz-metal NP kompozitleri üretilmiştir. Bu kompozitler SEM, EDX, XRD ve XPS analizleriyle karakterize edilmiştir. Au, Ag, Pt ve Pd NP metalik formlarında, Cu NP metalik veya +1 yükseltgenme basamağında ve Cu2O formunda, Co ise 2+ yükseltgenme basamağında ve CoO NP formunda selüloz matrislerinde başarıyla üretilmiştir. Bu mekanokimyasal yöntem, selüloz-metal NP kompozitleri üretimi için yeni ve yeşil bir metot olarak önerilebilmektedir. Sonuç olarak bulgularımız mekanokimya ve kompozit malzeme alanına katkı sağlayabilmektedir.
Özet (Çeviri)
Cellulose is the most abundant biopolymer in nature, which contains linear chains of repeating D-glucose molecules connected by 𝛽-1,4-glycosidic linkages. Over the past decades, due to growing interest in sustainability and green chemistry, cellulosic materials have received much attention. Since cellulose is highly abundant, light weight, strong, biodegradable, and nonabrasive, composite materials including cellulose can be environmental friendly, biocompatible, low cost, low weight, and multifunctional. Cellulose composites including metal nanoparticles (cellulose-metal NPs composites) find application in many fields due to the combined properties of both metal NPs and cellulose matrices. However, current production methods of cellulose-metal NPs composites have generally multistep, long, and non-environment friendly procedures due to their requirement for hazardous chemicals to reduce the metal ion precursor and stabilize the metal NPs that form. This thesis work focuses on the investigation of cellulose mechanoradicals formation produced by ball milling qualitatively and quantitatively with the changes occurred in cellulose samples after mechanical treatment, and using formed cellulose mechanoradicals as reducing agent to reduce metal cations in cellulose matrices to obtain cellulose-metal NPs composites. Firstly, formation of cellulose mechanoradicals -free radicals that are formed by the homolytic breaking of the bonds in cellulose chains under mechanical input (ball milling)- was analyzed qualitatively and quantitatively. Qualitative analysis of cellulose mechanoradicals by ESR spectroscopy showed that, formed radicals could be generally peroxyl and alkoxyl types. The numbers of mechanoradicals formed by milling cellulose samples (cotton and microcrystalline cellulose) in wet and dry conditions were detected by using DPPH solutions with UV-Vis spectroscopy. It was shown that, dry grinding method led to the higher number of mechanoradicals formation. Changes in cellulose samples occurred after milling probed by using SEM, XRD, and FTIR-ATR analyses were found to follow the mechanoradical formation. Due to more efficient grinding in dry conditions, with increasing milling time, the progressive decrease in fiber size leading more accessible regions with smaller particle size of cellulose samples, and forming mostly amorphous cellulose samples were observed. FTIR-ATR analyses of ground cellulose samples, especially dry ground samples, showed the breaking of intra and intermolecular hydrogen bonds and 𝛽-1,4-glycosidic linkages. Lastly, cellulose-metal NPs composites were produced by using cellulose mechanoradicals as reducing agent for the first time. The composites were characterized by SEM, EDX, XRD, and XPS analyses. Au, Ag, Pt, and Pd NPs in their metallic forms, and Cu NPs in its metallic form Cu0 or in 1+ oxidation state as Cu2O, and Co in 2+ oxidation state as CoO NPs are successfully produced in cellulose matrices. This mechanochemical method can be proposed as a new and green method for cellulose-metal NPs composites production. Consequently, our findings can contribute to the area of mechanochemistry and composite materials.
Benzer Tezler
- Synthesis and investigation of hydrogen storage properties of Mg(BH4)2 and investigation on structural modification in MgB2
Mg(BH4)2 sentezi ve hidrojen depolama özelliklerinin incelenmesi ve MgB2 yapısal modifikasyonunun incelenmesi
ALİ BATENİ
Doktora
İngilizce
2015
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SUAT SOMER
- Mechanochemical synthesis and characterization investigations of some refractory metal silicides
Bazı refrakter metal silisitlerin mekanokimyasal yöntemle sentezlenmesi ve karakterizasyonu
DİDEM OVALI DÖNDAŞ
Doktora
İngilizce
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- Oksit hammaddelerinden mekanokimyasal sentezleme ile b4c-tib2-tic kompozit tozlarının üretilmesi ve karakterizasyon çalışmaları
Mechanochemical synthesis of b4c-tib2-tic composite powders from oxide raw materials and characterization studies
FATMA NİHAN ÇELİK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA LUTFİ ÖVEÇOĞLU
- Mekanokimyasal sentez yöntemiyle BaTa2O6 üretimi, Fe giderimi, lüminesans ve termodinamik özellikler
BaTa2O6 production by mechanochemical synthesis, Fe removal, luminescence and thermodynamic properties
MUSTAFA İLHAN
Doktora
Türkçe
2013
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEMALETTİN YAMAN
PROF. DR. AYHAN MERGEN
- Towards mechanochemical generation of singlet oxygen
Mekanokimyasal yöntemlerle singlet oksijen üretimi
SİMAY AYDONAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENGİN UMUT AKKAYA