Quantum dot functionalized titania systems for photocatalytic oxidative NOx storage
Kuantum Noktalar ile İyileştirilmiş Titanya Sistemleri ile Fotokatalitik Yükseltgemeli NOx Depolama
- Tez No: 495980
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMRAH ÖZENSOY
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- 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: 150
Özet
Endüstriyel yanma sistemlerindeki artış, volkanik patlamalar, tarım faaliyetleri, durağan ya da mobil fosil ve biyoyakıt tüketimi, oldukça toksik olan NOx gazlarının oluşumunun temel nedenleri olarak bilinmektedir. Bu gazların ekosistem üzerinde doğrudan neden olduğu zararlarının yanı sıra, asit yağmurları ve troposferik ozon gibi ikincil hava kirliliği kaynaklarının oluşumuna da neden oldukları bilinmektedir. Bu gazların atmosferdeki yoğunluklarının azaltılması için termal katalitik sistemler ya da fiziksel/kimyasal adsorpsiyon sistemler halihazırda kullanılmaktadır. Bunların yanı sıra, çevreye dost, düşük maliyetli ve sürdürülebilir alternatif fotokatalitik sistemler tasarlanarak, halihazırda kolaylıkla ulaşılabilen güneş enerjisinden faydalanılabilir. Bahsedilen fotokatalitik sistemlerde, en yaygın olarak kullanılan malzeme, titanya olup, 3.0-3.2 eV aralığında oldukça geniş bir enerji bant aralığına sahiptir. Bu geniş bant aralığı nedeniyle, titanya çoğunlukla UV ışıması altında aktifleştirilebilir. Güneş enerjisinin dağılımı göz önünde bulundurulduğunda, ultraviyole ışınları görünür ışığın sadece beşte birine karşılık gelmektedir. Titanyanın güneş enerjisinden daha fazla faydalanabilmesini sağlamak için, görünür dalga boylarını da soğurmasını sağlamak gerekmektedir. Titanyanın ametal elementlerle dopingi bu artışa yardımcı olsa da, son zamanlarda nano boyutlu yarı iletken malzemelerin (kuantum noktacıklar) kullanımı da oldukça önem kazanmıştır. Kuantum noktacıkların soğurduğu dalga boyları, parçacıkların boyutlarıyla oynanarak değiştirilebilmektedir. Ayrıca, kuantum noktacıklar soğurdukları fotonlar sayesinde elektron-boşluk ayrımı yaparak, fotokatalitik süreçte rol oynayabilirler. Bu çalışmada, direkt-bant aralığına sahip CdTe kuantum noktacıkları kullanılmıştır. CdTe kuantum noktacıklarının iletim bandı titanyanınkinden yukarıda olduğu için, CdTe iletim bandında oluşturulan elektronlar, titanyanın iletim bandına rahatlıkla akabilir. Böylelikle, oluşturulan elektron-boşluk çiftinin ayrımının daha uzun süreli ve efektif olması sağlanabilmektedir. Kullanılan kuantum noktacıklarının bant aralığı görünür ışıkla uyumlu olduğu için, titanyanın görünür ışık altındaki fotokatalitik aktivitesi de artırılabilir. QD ile işlevselleştirilen titanya sistemleri, üzerinde yürütülen fotokatalitik aktivite çalışmaları, oldukça yüksek NOx depolama özellikleri göstermiş olup, P25 referans titanya katalizörüne göre, NO gazının katalitik dönüşümünü de artırmıştır. Ayrıca, sunulan fotokatalizör sisteminin mekanizmasını aydınlatabilmek için farklı referans malzemeler de hazırlanmıştır. Ölçümlerde elde edilen bulgular, ilgi çekici fotokatalitik aktivite ve seçicilik sonuçları göstermiştir. Katalitik mimarideki her yapı taşının etkisi incelenmiştir. Kuantum noktaların içinde bulunduğu suyun ve etrafını saran ligand merkapto asetik asidin etkileri incelendiğinde, titanya yüzeyine tutundurulan suyun hem fotokatalitik aktiviteyi hem de seçiciliği artırdığı görülmüştür. Merkapto asetik asit ise titanya aktivitesinde düşüşe neden olurken, seçiciliği artırmıştır. Son kontrol deneyinde, bu sistemde fotokatalitik aktivite göstermeyen alümina, titanya yerine kullanılmıştır. Bu deneyler sonucunda, CdTe kuantum noktalarının bulunmadığı hiçbir sistemde katalitik ya da katalitik olmayan bir aktivite gözlemlenememiştir. Bu çalışma, CdTe kuantum noktalarının, titanyanın fotokatalitik aktivitesini ve seçiciliğini artırdığını göstermiştir. Fakat, oluşturulan sistemin katalitik ömrü kısadır.
Özet (Çeviri)
Increasing activities of industrial combustion systems, volcanic eruptions, agriculture activities and utilization of stationary and mobile fossil and biomass combustion systems are known to be the major causes of toxic nitrogen oxides (NOx) pollution. These pollutants are not only highly hazardous for the ecosystem but also can trigger the formation of secondary pollutants such as acid rain and tropospheric ozone. Abatement of toxic NOx gases can be achieved by thermal catalytic processes or physical/chemical adsorption systems. However, environmentally friendly, cost-efficient and sustainable alternative photocatalytic systems can also be designed which can exploit readily abundant solar radiation. One of the most well-known benchmarks for environmental photocatalysts is titanium dioxide with a wide band gap typically varying within 3.0-3.2 eV that can be activated via UV photons. This wide band gap prevents efficient absorption of visible light, which corresponds to around 5 times higher intensity compared to UV light. In order to increase the photocatalytic efficiency of the titanium dioxide, its visible-light exploitation capability should be enhanced. Although, this can be done by doping of TiO2 with nonmetal main group elements, recently the research focus has shifted towards utilization of semiconductor quantum dots (QDs) for this purpose. Visible response of the QDs can be modified by tuning their particle size. Furthermore, QDs provide additional advantages such as the generation of hot electrons or multiple charge carriers with a single high-energy photon. In the present work, CdTe QDs were employed as a direct band gap semiconductor (1.44 eV) compatible with the visible window of the solar spectrum to promote titania based photocatalysts. Due to its higher conduction band, CdTe can transfer its conduction band electrons to the conduction band of TiO2 and the hole that is created on the valence band of TiO2 can be transferred to the valence band of CdTe; leading to efficient electron-hole separation. Thus, visible light exploitation capacity of TiO2 can be enhanced along with its photocatalytic activity. Current photocatalytic activity results on QD functionalized titania systems exhibited much higher NOx storage in solid state and an enhancement of NO conversion values as compared to that of P25 titania benchmark photocatalyst. In addition, various reference materials were prepared and photocatalytically tested in order to shed light on the mechanism of this photocatalytic enhancement. These results provided insight regarding the functionality of the different structural components of the photocatalytic architecture in the photocatalytic NOx oxidative storage process. The influence of each structural component in this catalytic architecture was studied. Control experiments were conducted with the dispersant water and the capping agent thioglycolic acid. The results revealed that NO conversion and selectivity can be enhanced by the adsorbed water on titania surface. By adding thioglycolic acid on titania, the NO conversion is suppressed but the selectivity of the system increased. Finally, by replacing titania with a photocatalytically inactive material alumina, it was shown that only in the presence of CdTe quantum dots, there can be NO oxidation/conversion. In overall, utilizing CdTe quantum dots are advantageous for exploiting more of the solar irradiation; however, they suffer from low stability and short catalytic life time.
Benzer Tezler
- Plazmonik metallerle güçlendirilmiş grafen kuantum nokta nanoyapılarının doğrusal olmayan optik özellikleri
Nonlinear optical properties of graphene quantum dot nanostructures wi̇th enhanced by plasmoni̇c metals
SAADET HANÇE
Doktora
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiAnkara ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AHMET KARATAY
- Yeni silika tabanlı akıllı ilaç taşıyıcı sistemin geliştirilmesi ve ilaç salım özelliklerinin incelenmesi
Synthesis of new silica based smart drug delivery system and investigation of its drug delivery properties
SAFAA HASHIM MOHAMMED ALBAYATI
- Üst enerji dönüşümü yapabilen (upconverting) nanoyapıların sentezi, karakterizasyonu ve işlevselleştirilmesi
Synthesis, characterization and functionalization of upconverting nanostructures
TUĞBA TECİM
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimya MühendisliğiMersin ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. RÜKAN GENÇ ALTÜRK
- Yeni akıllı silika nanotaşıyıcı sentezi ve ilaç salım uygulamaları
Synthesis and drug delivery applications of new smart silica nanocarrier
HALİL ATTAR
- Diene containing polymer brushes for bioimmobilization
Biyosabitleme için dien içeren polimer fırçalar
YASEMİN NURSEL ÜZÜM
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Bilim ve TeknolojiBoğaziçi ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AMİTAV SANYAL