Development of graphene/bismuth nanocomposite film modified graphite electrode for voltammetric determination of heavy metals
Ağır metallerin voltametrik analizi için grafen/bizmut nanokompozit film modifiyeli grafit elektrot geliştirilmesi
- Tez No: 517466
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HÜSEYİN KIZIL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Mühendislik Bilimleri, Chemistry, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 65
Özet
Son yıllarda benzersiz kimyasal, fiziksel ve mekanik özellikleri sayesinde kimya, fizik, malzeme bilimi gibi birçok alanda büyük ilgi gören nanomateryaller, elektrokimyasal nanosensörlerin geliştirilmesinde de sıkça kullanılmaktadır. Nanomalzemeler ile modifiye edilerek seçiciliği ve hassasiyeti arttırılan elektrotların tercih edilmesiyle, çok düşük konsantrasyonlardaki analitlerin analizinde başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Karbon temelli nanomalzemelerden olan ve keşfedilmesiyle teknolojide devrim niteliğinde gelişmelere yol açan grafen, bu amaçla kullanılan nanomalzemelerin başında gelmektedir. Bilinen en ince, en hafif, en sağlam, saydam ve elektriği en iyi ileten malzeme olan grafen, çevre dostu oluşuyla da diğer malzemelere avantaj sağlamaktadır. Çeşitli biyolojik ve çevresel örneklerin analizlerinde kullanılan grafen ile modifiye edilmiş elektrotlar, ağır metal analizleri için de sıkça tercih edilmektedir. Grafenin elektrot modifikasyonunda kullanılmasındaki temel zorluk sentez aşamasıdır. Kullanılan yönteme göre maliyet, zaman, yüksek miktarda üretimin yapılamaması veya toksik kimyasalların kullanımını gerektirmesi gibi dezavantajları olan grafen sentezi için, çevre dostu, düşük maliyetli ve kısa sürede grafen eldesi sağlayacak sentez yöntemine ihtiyaç vardır. Bu çalışmada çevre ve insan sağlığı açısından ciddi riskler taşıyan kurşun ve kadmiyum ağır metallerinin su numunelerindeki hassas analizini sağlamak amacıyla grafen ile modifiye edilmiş elektrot geliştirilmesi üzerine araştırmalar yapılmıştır. Literatürde sunulan bir elektrokimyasal yöntemden yararlanılarak, kalem grafit elektrodun üzeri tek basamakta grafen ile kaplanmıştır. Modifikasyon için voltametrik bir yöntem olan dönüşümlü voltametri (CV) yöntemi tercih edilmiştir. Bu yöntemde, grafit elektroda yüksek anodik potansiyellerin uygulanmasıyla oksijen bakımından zengin grafen oksit oluşturulmuş, ardından tersi yönde potansiyel uygulanarak oksijen fonksiyonel gruplarının elimine edilmesi ile birlikte grafen yapıları elde edilmiştir. Modifikasyonda kullanılan elektrolitin türü, konsantrasyonu, CV döngü sayısı, CV tarama hızı ve CV potansiyel aralığı gibi çeşitli parametrelerin optimizasyonuyla, elektrodun kurşun ve kadmiyuma en yüksek cevabı verecek şekilde modifiye edilmesi sağlanmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda, modifikasyon için kullanılacak en uygun elektrolitin sodyum hidroksit (NaOH) olduğu belirlenmiş, kurşun ve kadmiyum için en yüksek sinyaller ise 0.2 M NaOH içerisinde modifiye edilen elektrotlarla alınmıştır. En uygun CV döngü sayısı 3, tarama hızı 200 mV s-1 ve potansiyel aralığı ise -0.9/2.0 V olarak belirlenmiştir. Deneysel çalışmaların ikinci aşamasında ise geliştirilen elektrotların karakterizasyonu yapılmıştır. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapılan karakterizasyonda elektrot yüzeyinde oluşan değişim açıkça görülebilmektedir. Elektrokimyasal modifikasyonun yüzey alanını arttırdığı, artan yüzey alanı ile birlikte sinyal gürültü oranının da arttığı gözlemlenmiştir. Elektrokimyasal empedans spektroskopisi (EIS) analizinde ise, modifiye edilen elektrodun iletkenliğinin modifiye edilmemiş elektroda oranla önemli ölçüde arttığı görülmüştür. Bir diğer karakterizasyon tekniği olan Raman analizlerinden elde edilen spektrumlar da elektrot yüzeyinde yapılan grafen modifikasyonunu destekler niteliktedir. Elektrot modifikasyonu için optimum koşulların belirlenmesinden sonra, kurşun ve kadmiyum analizi için voltametrik yöntem geliştirme çalışmaları yapılmıştır. Elektrot stabilitesini arttırmak ve aynı zamanda kurşun-kadmiyum analizinde daha yüksek sinyaller elde etmek amacıyla elektrot yüzeyi bizmut film ile kaplanmıştır. Bizmut film kaplanması için in-situ yöntemi tercih edilmiş, elektrotun yüzeyi analiz sırasında -1.0 V gerilim uygulanarak bizmut film ile kaplanmıştır. Sonrasında bizmut konsantrasyonu, biriktirme gerilimi, biriktirme süresi, karıştırma hızı gibi parametreler de optimize edilmiştir. Optimum koşullarda yapılan validasyon çalışmalarında kurşun ve kadmiyum için 5 μg L-1 - 100 μg L-1 aralığında doğrusal sonuçlar alınmıştır. Algılama sınırı (LOD) kurşun ve kadmiyum için sırasıyla 0.29 μg L−1 ve 0.12 μg L−1 olarak bulunmuştur. Ayrıca, modifiye edilmiş elektrotun tekrarlanabilirliği ve tekrar üretebilirliliği için 10 tekrarlı analizler yapılmış, bağıl hatanın yüzde 5'in altında olduğu görülmüştür. Bu da modifiye edilmiş elektrotun stabilitesinin yüksek olduğunu göstermektedir. Girişim etkilerinin incelenmesi çalışmasında ise, bakır haricinde diğer iyonların kurşun ve kadmiyum analizine önemli bir girişimde bulunmadığı saptanmıştır. Geliştirilen grafen/bizmut (G/Bi) nanokompozit film modifiyeli kalem ucu elektrot, sertifikalı referans madde analizinde başarılı bir şekilde kullanılmıştır. Yapılan çalışmada; geleneksel yöntemlere göre daha ucuz, daha hızlı ve daha basit şekilde, kalem grafit elektrotun tek basamakta elektrokimyasal yöntem ile grafene dönüştürülmesi sonucu elde edilen elektrotun çeşitli çevresel ve biyolojik örneklerin eser analizlerinde kullanılabileceği öngörülmektedir.
Özet (Çeviri)
In recent years, due to its unique chemical, physical and mechanical features, nanomaterials which are of great interest in many fields such as chemistry, physics, material science are also frequently used for the development of electrochemical nanosensors. By choosing electrodes that are modified with nanomaterials to increase their selectivity and sensitivity, successful results have been achieved in the analysis of analytes at very low concentrations. Graphene, which is a carbon-based nanomaterial and has led to the development of revolution in technology with its discovery, is at the head of the materials used for this purpose. The main difficulty with using the graphene in electrode modification is the synthesis step. According to the method used, conventional methods have drawbacks such as high cost, long synthesis time, the usage of toxic chemicals and small-scale production, so there is a need for a rapid, environmentally friendly, low-cost synthesis method for producing graphene. In the context of this thesis, development of a low-cost, green, sensitive and selective graphene-modified electrode is aimed in order to provide precise simultaneous analysis of heavy metals in water samples. As the first step of electrode development, the surface of the pencil graphite electrode was covered with graphene in one step using an electrochemical method presented in the literature. Cyclic voltammetry (CV) method has been chosen for the modification. In this method, with the application of high anodic potentials to graphite electrode, oxygen-rich graphene oxide was formed, then by applying the potential in the opposite direction oxygen groups were eliminated and graphene structures were obtained. Various modification parameters such as modification electrolyte type and concentration, number of CV cycles, CV scan rate and CV potential range are optimized in order to get the highest response for lead and cadmium. As the second step after electrode development, an electroanalytical method, square wave stripping voltammetry method, was proposed to analyze trace levels of Cd and Pb heavy metals. In this context, the electrode surface was coated with bismuth film in order to increase electrode stability and to obtain higher signals in Cd and Pb analysis. Afterward, parameters including bismuth concentration, deposition potential, deposition time, stirring speed were also optimized. In the end, a certified reference material analysis was conducted for the evaluation of the accuracy of the electrode and method. Successful results were obtained for the Cd and Pb analysis in a working range of 5-100 μg L-1 with the developed electrode. Having a low-cost, environmentally-friendly, rapid, one-step synthesis process, the developed electrode can be used for sensitive and selective trace analysis of various heavy metals in environmental and biological samples.
Benzer Tezler
- Development, fabrication and characterization of graphene and bismuth hall sensors for scanning hall probe microscopy
Taramalı hall aygıtı mikroskopları için grafen ve bizmut hall algılayıcı geliştirilmesi, üretimi ve karakterizasyonu
SELDA SONUŞEN
Doktora
İngilizce
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiSabancı ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET ORAL
- Development and characterisation of novel coatings and thin films for high-efficiency smart thermoelectric materials and modules
Yüksek verimlilikli akıllı termoelektrik malzemeler ve modüller için yenilikçi kaplamaların ve ince filmlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
MİKDAT GURTARAN
Doktora
İngilizce
2024
Metalurji MühendisliğiThe University of BirminghamMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. HANSHAN DONG
- Development of graphene supported catalyst nanoparticles for polymer electrolyte membrane (pem) fuel cells
Polimer elektrolit membranlı yakıt pilleri için grafen destekli nanoparçacık katalizörlerin geliştirilmesi
VİLDAN BAYRAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
EnerjiSabancı ÜniversitesiEnerji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL
- Grafen oksit katkılı iplik geliştirilmesi
Development of graphene oxide added yarn
KÜBRA NUR KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiPolimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE BEDELOĞLU
- Kanser terapisi için grafen temelli ilaç sisteminin geliştirilmesi
Development of graphene-based drug system for cancer therapy
REYHAN YANIKOĞLU
Doktora
Türkçe
2024
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEM BÜLENT ÜSTÜNDAĞ