Graphene oxide fibers, production, characterization and utilization on the adsorption of sulfur dioxide
Grafen oksit lifleri, üretimi, karakterizasyonu ve kükürt dioksit adsorpsiyonunda kullanımı
- Tez No: 485296
- Danışmanlar: PROF. DR. HACER AYŞEN ÖNEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Grafen oksit (GO), grafenin yüzeyinde oksijenli fonksiyonel gruplar ile bezenmesi ile oluşur.Grafen oksit eldesinde kullanılan en yaygın prosedür, öncesinde termal eksfoliasyona tabi tutulan grafit partiküllerinin oksidasyonudur. En eski ve en yaygın kullanılan proseslerden biri ise Hummers metodudur.Ayrıca grafit oksitin tek tabakalı hali olarak da adlandırılabilir. GO yapısında oksijen atomları karbonlara kovalent bağlarla bağlanmıştır ve hidroksil, epoksi ve karboksil fonksiyonel grupları bulunmaktadır. Bu gruplar sayesinde su veya diğer organik çözücüler içerisinde kolayca çözünebilmektedir. Grafen oksitin tek tabakalı yapısı ve fonksiyonel grupları gazların (NH3, SO2, H2S) adsorpsiyonunda etkin rol oynamaktadır. Bu çalışma kapsamında oldukça zararlı bir gaz olan kükürt dioksit (SO2) gazının adsorpsiyonu araştırılmıştır. Kükürt dioksit renksiz, kötü kokulu ve reaktif bir gazdır. Fosil yakıt kullanımı ve diğer endüstriyel faaliyetler veya volkanlar, orman yangını gibi doğa olayları kükürt dioksit (SO2) gazı emisyonuna neden olur. SO2 hava kirletici bir gazdır ve insan sağlığı ve doğa için oldukça toksiktir. Sera etkisine ve fotokimyasal dumana neden olur, oksijen ve su ile birleştiğinde ise sülfürik asit oluşturur ve asit yağmurlarını tetikler. Bu nedenle, bu zararlı gazın temizlenmesi önemli bir konudur. Önceki çalışmalar incelendiğinde, karbon bazlı malzemelerin adsorpsiyon uygulamalarının yoğun bir şekilde araştırıldığı görülmektedir. Ancak liflerin adsorpsiyon kapasitesi araştırmaları aktif karbon lifleri üzerine yapılmıştır. Bu tez çalışmasında ise grafen oksit liflerinin kükürt dioksit adsorpsiyon kapasitesi araştırılmıştır. Çalışma 3 temel aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamasında, Hummers metodu ile grafen oksit dispersionu elde edilmiştir. Yüksek adsorplama kapaitesine sahip olduğu bilinen aktif karbonun eklemesi de dispersiyona katılmasıyla sağlanmıştır. Katkısız dispersiyondan 3 banyolu, tek banyolu ve polivinil alkol (PVA) içerikli banyodan geçirilmiş grafen oksit lifleri üretilmiştir. Bu üretim sistemi yaş çekim (wet spinning) metodu olarak adlandırılmaktadır.Ayrıca çeşitli indirgeme metotlarıyla indirgenmiş grafen oksit liflerinin ve indirgenmemiş grafen oksit liflerinin özellikleri incelenmek üzere üretilmiştir. Çalışmanın ikinci aşaması, üretilen liflerin yapısı, karakterizasyonu, morfolojisi ve kristalinitesi gibi bilgileri elde etmek ve birbirleri ve literatür çalışmalarıyla karşılaştırmayı içermektedir. Üçüncü aşamada ise adsorpsiyon kapasitesilerini ölçmek için grafen oksit lifleri ile dokunmamış tekstil yüzeyleri elde edilmiş ve bu dokunmamış yüzeylerin SO2 gazını adsorbe etme özelliği olduğu gösterilmiştir. GO liflerinin morfolojisinin izlenmesi SEM ve AFM testleri ile gerçekleştirilmiş, ayrıca XRD, FTIR, Raman, iletkenlik ve tex sayısı gibi diğer analizler yapılmıştır. TGA, liflerin termal özelliklerini karakterize etmek için kullanılmış ve liflerin yüzey alanları BET analizi ile hesaplanmıştır. Dispersiyon hazırlama yöntemi, dispersiyonun pH değeri, koagülasyon banyosu içeriği, indirgeme işlemi ve ilave malzemeler gibi işlem parametrelerinin, grafen oksit elyafının nihai özelliklerini etkilediği görülmüştür. SEM analizlerinde aktif karbon, PVA katkılarıve tek banyo nedeniyle yüzeyde kalan CaCl2 tuzları net bir şekilde gözlenmiştir. XRD analizi sonucunda kristal yapılar incelenmiş, her örnek için karakteristik pikler gözlenebilmiştir. Aynı şekilde FTIR ve Raman analizleri indirgeme, aktif karbon eklenmesi ve PVA kaplanması sonucu yeni pik oluşumu veya indirgemede olduğu gibi piklerin kaybolması ile işlemlerin doğru şekilde ilerlediğini ispat etmiştir. Hidrazin hidratla indirgemede yapıda oluşan defektler Raman analizinden elde edilen ID/IG değerinden ve SEM analizi görüntülerinden açıkça anlaşılmaktadır. PVA ise defektleri ve boşlukları kapatmıştır. En iletken malzeme, tek banyoya tabi tutulan grafen oksit lifleri olmuştur. TGA analizinin öncelikli amacı, BET analizi öncesi fonksiyonel grup kaybı olmadan çıkılabilecek enuygun degaz sıcaklığını bulmaktır. Buradan hareketle yapılan BET analizi sonuçlarında en yüksek yüzey alanı, ortalama gözenek çapı ve toplam gözenek hacmi değerleri, aktif karbon eklenmiş dispersiyondan elde edilen liflerde hesaplanmıştır. GO lifleri tarafından üretilen dokunmamış yüzeylerin üzerinden öncelikle SO2 gazı geçirilmiştir, sonrasında yüksek sıcaklıkta adsorbe edilen gaz çözelti içine hapsedilerek titrasyon hesaplaması ile adsorbe edilen gaz miktarı hesaplanmıştır. Katkısız liflerden üretilen dokunmamış yüzey, pH 3 ve pH 5 değerlerinde olduça yakın değerlerde (yaklaşık 310-320 mg SO2 / 1 g örnek) SO2 adsorpsiyon kapasitesine sahiptir. Bununla birlikte, aktif karbon katkılı GO fiber tarafından üretilen dokunmamış yapı, referans GO fiberinden yaklaşık 3 kat daha yüksek SO2 adsorpsiyon kapasitesine sahiptir. Burada aktif karbon malzemesinin gözenekli yapısının da etkili olduğu diğer örneklerden daha yüksek gözenek çapı ve por hacmine sahip olmasından anlaşılabilir. Adsorpsiyon kapasitesi sonuçlarına uygun olarak, aktif karbon katkılı numune daha yüksek BET yüzey alanına sahiptir. Hidrazin hidratla indirgenen numune ise FTIR analizinde görüleceği üzere, üzerinde uygun fonksiyonel grup bulunmaması nedeniyle en düşük adsorpsiyon kapasitesini göstermiştir. Tek koagülasyon banyosu ve PVA kaplanan numuneler ise yeni bağlantılar sağladığından referans numunelerden daha fazla kapasiteye sahiptir.
Özet (Çeviri)
Fossil fuel combustion and other industrial activities cause the emission of sulfur dioxide (SO2) gas. SO2 is an air pollutant gas and a very toxic for human health and nature. Hence, cleaning of this harmful gas is an important issue. Graphene which is two-dimensional material has excellent mechanical, chemical, thermal properties, and many application areas such as energy storage devices, gas adsorption, sensing devices, and optical electronics. Further, graphene oxide (GO) is examined as a good adsorbent because of its important features such as functional groups (epoxy, carboxyl and hydroxyl) on the surface and layered structure. As a fiber form, the SO2 adsorption properties of the fibers are usually investigated on carbon fibers. This thesis seeks to investigate the adsorption capabilities of graphene oxide fibers. For this purpose, graphene oxide was produced primarily by Hummers method and graphene oxide fiber were synthesized by the wet spinning method.To see the different effects, reduction process by hydrazine hydrate, activated carbon addition, poly(vinyl) alcohol (PVA) coating and single coagulation bath application were tried on GO fibers. Monitoring of the morphology of GO fibers was carried out by SEM and AFM, also other qualitative and quantitative analyses like XRD, FTIR, Raman, conductivity and tex number were performed. TGA was used characterize the thermal properties of fibers and most importantly the surface areas of fibers were calculated by BET analysis.It has been seen that process parameters such as dispersion preparation method, pH value of dispersion, the content of coagulation bath, reduction process, and additional materials affect the final properties of graphene oxide fiber. Nonwoven based structure produced by GO fibers has an SO2 adsorption capacity itself, approximately 310-320 mg SO2/1 g of sample. However nonwoven structure produced by activated carbon doped GO fiber has 3 times higher SO2 adsorption capacity than reference GO fiber.In accordance with adsorption capacity results, activated carbon doped sample has higher BET surface area.
Benzer Tezler
- Kontrol ağlarının ölçüt matrisleri ile ağırlık ve ölçü planı optimizasyonu
Gewichtund beobachtungsplanoptimierung der kontrollnetzen durch die kriteriummatrizen
CİHANGİR ÖZŞAMLI
- Synthesis and characterization of porous carbons using natural zeolites and AIPO4-5 as templates and diffusion of volatile organic chemicals in these porcus media
Doğal zeolit ve AIPO4-5 kullanılarak kalıplama yöntemiyle gözenekli karbon sentezi ve karakterizasyonu ve uçucu organik kimyasalların bu gözenekli yapılardaki difüzyonu
BİLLUR SAKİNTUNA
- Functionalization of carbon nanotubes
Karbon nanotüplerinin fonksiyonelleştirilmesi
SEFA DAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiFizik Bölümü
PROF. SALİM ÇIRACI
- Size modulation and defects in graphene based ribbons: Magnetism and charge confinement
Grafin tabanlı malzemelerde kalınlıksal çesitlendirmeler ve ağ örgü delikleri: Manyetizma ve yük yoğunlaşması
MEHMET TOPSAKAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiNanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİM ÇIRACI
- A Review of the“ontology”of photography
Fotoğrafın ontolojisi üzerine bir inceleme
ÖNDER SEVİMLİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2004
Sahne ve Görüntü Sanatlarıİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiGrafik Ana Sanat Dalı
YRD. DOÇ. DR. MAHMUT MUTMAN
