Development of aerogel based optofluidic microreactors
Aerojel tabanlı optofluidik mikroreaktörlerin geliştirilmesi
- Tez No: 528275
- Danışmanlar: PROF. DR. CAN ERKEY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 177
Özet
Optofluidik mikrofotoreaktörlerde ışık reaksiyonlarının verimli olarak gerçekleşebilmesi için ışığın reaksiyon ortamına dağıtımı kritik bir öneme sahiptir. Bu reaktörlerde ışığın reaktant ve fotokatalizör ile etkileşimi ışığın dalgaklavuzları yardımı ile reaksiyon ortamına doğrudan dağılımı ile önemli ölçüde geliştirilebilir. Bu önermede, sıvı çekirdekli dalgakılavuzları sıvı ile doldurulmuş bir kanal ile bu kanalı çevreleyen kaplama (cladding) işlevi gören katı bir malzemeden oluşur ve ışık kanal duvarlarından toplam iç yansıma (TİY) yaparak kanal boyunca ilerler. Kullanılan malzemenin ışığı akışkanın bulunduğu hacme hapsebedilmesi ve ışığın bu hacimde tam iç yansıma (TİY) ile kılavuzlanması gerekir. Bu amaç doğrultusunda kullanılabilecek uygun malzemenin, optofluidik dalgakılavuzlarında çekirdekteki sıvının kırınım katsayısından daha küçük kırınım katsayısına sahip olması (nçekirdek > nkaplama) gereklidir. Benzer, katı çekirdekli TİY temelli dalgkılavuzları için nçekirdek > nkaplama koşulunu sağlayacak kaplama malzemeleri kolayca bulunsa da sıvı çekirdekli optofluidik dalgakılavuzlarında bu koşulu sağlayacak malzemelerin bulunması kolay değildir. Optofluidik dalgakılavuzunun çekirdeğindeki sıvının su olduğu düşünüldüğünde (görünür dalgaboylarında nsu = 1.33) 1.33 değerinden küçük kırınım katsayısına sahip kaplama malzemelerinin bulunması gerekmektedir. Bu noktada, sahip oldukları düşük kırınım katsayılarıyla (görünür dalgaboylarında n ~ 1), birbirlerine bağlı parçacıkların oluşturduğu hava boşlukları ile ayrılmış, açık bir ağdan oluşan oldukça gözenekli nanoyapılı özel bir malzeme olan aerojeller, TİY-temelli sıvı çekirdekli dalgakılavuzları için ideal kaplama malzemeleri olarak öne çıkarlar. Çalışmanın ilk aşamasında, aerojel içinde monolitik ve nano gözenekli yapısını koruyarak TİY-temelli sıvı çekirdekli dalgakılavuzların üretimini sağlayan yeni bir teknik gelişitirilmiştir. Özkütleleri 0.15 g/cm3' den 0.39 g/cm3' e kadar değişien silika aerojeller, alkojellerin Tetraetil Ortosilikat içinde farklı sürelerde yaşlandırılması ve superkritik ektraksiyon işlemleri ile üretilmiştir. Hidrofilik yüzey özelliklerine sahip silika aerojeller, HMDS buharı altında hidrofobik olarak dönüştürülmüştür. Sentezlenmiş aerojellerin düşük kırınım katsayılarını korudukları ve optik kaplama için uygun oldukları gösterilmiştir. Gelişitirilen kanal açma yönteminin literatürdeki diğer yöntemlere nazaran daha uzun kanalların oluşturulmasında elverişli olduğu gösterilmiştir. Düz ve L şeklindeki uzun kanallar (~7.5 cm) monolitik aerojeller içinde, TİY-temelli sıvı çekirdekli verimli dalgakılavuzları oluşturulmuş ve öngörülen ışığın toplam iç yansıma kuramı deneysel olarak gösterilmiştir. Monolitik aerojel içine entegre edilmiş olan TIY-temelli sıvı çekirdekli dalgakılavuzlarının sıvı reaktantlar ile iyi bir örtüşme sağlayarak fotokimyasal reaksiyonların gerçekleştiği ve aerojellerin optofluidik mikro-fotoreaktör olarak çalıştığı gösterilmiştir. Çalışmanın son kısmında, aerojellerin yüksek gözeneklilik ve yüzey alanına sahip üç boyutlu yapısı, fotokatalizör ilavesi için uygun bir ortam sağlamış ve monolitik yapılarına zarar vermeden yüksek oranda fotokatalizör nanoparçaçıklarının yapı içerisine entegre edilebilmesini mümkün kılmıştır. Anataz titanyum dioksit (TiO2) nanoparçacıkları fotokatalizör olarak kullanılmış ve silika aerojellerinin mezo gözenekli ağına aerojel sentezinin sol-jel aşaması sırasında başarıyla dahil edilmiş, ağırlıkça % 1 ile % 50 arasında değişen titanyum dioksit içerikli monolitik SiO2-TiO2 kompozit aerojeller elde edilmiştir. Elde edilen SiO2-TiO2 komposit aerojellerin, ışığın reaktanlar ve kanal duvaralarında gömülü olan fotokatalizör ile iyi bir etkileşim sağlayabildiği ve fotokatalitik mikrofotoreaktörler olarak çalıştığı gösterilmiştir. Fenol'ün kanal duvarlarında immobilize edilmiş fotokatalizörler üzerinde optofluidik dalgaklavuzlar ile kanal boyunca yönlendirilen ışık altında fotokatalitik bozunması model reaksiyon olarak kullanılmıştır. Gelen ışık gücünün, reaktant akış hızının, fotokatalizör ve oksijen miktarının reaktörün performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Deneysel çalışmalara ilaveten, fotokatalitik mikrofotoreaktörlerde ışığın ve reaktantların akış hızının organik bileşiklerin degradasyonuna olan etkisini tanımlayan bir model geliştirilmiş ve deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Model sonuçları ve deneysel verilerin uyumlu olduğu bulunmuştur. Son olarak, sol-jel metodu ile SiO2-TiO2 matrisine karbon nanotüpler dahil edilerek monolitik kompozitler elde edilmiş ve bunların fotokatalitik bozunma üzerindeki fonksiyonları araştırılmıştır. SiO2-TiO2 komposit aerojellere kıyasla, karbon nanotüplerin SiO2 ve TiO2 ile karıştırılması, daha düşük fotokatalitik performans ile sonuçlanmıştır.
Özet (Çeviri)
Efficient light distribution in reaction medium in optofluidic microphotoreactors is highly desirable to fully harness their potential in light-driven chemical processes. The interaction of reactants, photocatalysts and light in microphotoreactors can be dramatically improved by enabling light propagation directly within the reactor using light guiding. In this study, liquid core optofluidic waveguides are utilized in microphotoreactors for guiding of light. In this approach, a suitable material confines the core liquid within internal channels and, simultaneously, behaves like waveguide cladding. For the propagation of non-lossy optical modes guided in the liquid by total internal reflection (TIR) of light from the channel walls, the cladding material should have a low absorption coefficient at working light wavelength and a lower refractive index than that of the core liquid (ncore>ncladding). In applications with aqueous solutions, a material with a refractive index lower than the refractive index of water, 1.33, is required and only a narrow choice of solid host materials are available. An aerogel is a highly porous nanostructured material consisting of an interconnected open network of loosely packed, bonded particles separated by air gaps, and they feature extremely low refractive index of ~1 which makes them remarkable as solid cladding of liquid-core optofluidic waveguides without any additional coating. A new, straightforward technique that uses direct manual drilling to manufacture TIR-based liquid-core optofluidic waveguides was first developed for aerogel monoliths. Fabrication of channels in aerogel blocks by manual drilling preserving nanoporous and monolithic structure of aerogels was demonstrated for the first time. Silica aerogels with densities ranging from 0.15 g/cm3 to 0.39 g/cm3 were produced by aging of alcogels in tetraethylorthosilicate solution for various time periods, followed by supercritical extraction of the solvent from the alcogel network. Subsequently, the resulting hydrophilic aerogel samples were made hydrophobic by hexamethyldisilazane (HMDS) vapor treatment. This method of fabrication is capable of producing channels with lengths significantly larger than those reported previously in the literature and it also provides relative flexibility in the channel shaping. Long channels (up to ~7.5 cm) with varying geometries such as straight and inclined L-shaped channels could be fabricated. Multimode optofluidic waveguides prepared by filling the drilled channels in aerogel monoliths with water yielded high numerical aperture values (~ 0.8). Efficient guiding of light by TIR in the water-filled channels in aerogels was visually revealed and characterized by monitoring the channel output. The resulting aerogel-based optofluidic waveguides exhibited efficient light guiding features, as verified by direct imaging of guided light modes and measuring the transmittance of the waveguides. The synthesized samples retained their low refractive index (below ~1.09) and, hence, they could serve as suitable optical cladding materials for aqueous waveguide cores (refractive index ncore = 1.33). Hydrophobic silica aerogel samples produced by the above technique also had low absorption coefficients in the visible part of the spectrum. Next, a new type of aerogel-based microphotoreactor with integrated optofluidic waveguide was developed. This optofluidic microphotoreactor consists of a single liquid-filled channel fabricated inside a monolithic silica aerogel within which photochemical reactions are carried out. Due to the contrast of refractive indices between the aerogel and the liquid, optofluidic waveguides based on TIR are naturally formed to deliver the light to the liquid reaction medium inside the channel. This configuration is demonstrated to provide an excellent overlap between guided light and fluids in the channel for efficient photochemical activation. The microphotoreactor was shown to be well suited for photochemical degradation of a model organic compound – methylene blue (MB) dye – and the efficiency of the dye photoconversion as a function of the incident light power was characterized. Finally, the field of optofluidics and highly porous, membrane-like properties of aerogels combined with a fully tunable three-dimensional structure were both exploited to construct photocatalytic microphotoreactors for controlled distribution of light through the reaction medium maintaining good interaction of light, fluid and the solid photocatalyst particles. Anatase TiO2 nanoparticles were used as photocatalysts and they were successfully introduced into the mesoporous network of silica aerogels during sol-gel step of aerogel synthesis obtaining monolithic composite aerogels with varying titania content from 1 wt % to 50 wt % for the first time. The presence of TiO2 and its desired crystalline structure in aerogel matrix was confirmed by XRD patterns and FE-SEM images. The silica-titania composite aerogels retained their interconnected mesoporous network with high porosity and pore volume as well as high surface area. Surface modification by HMDS was devised to alter the wetting conditions of the reactor walls for construction of liquid-core optofluidic waveguides in the channel. Cylindrical straight channels were then fabricated in the synthesized monolithic composites. Light was confined in the liquid in the channel and was guided in a controlled manner by TIR from the channel walls. Low and favorable propagation losses ranged from 2.6 dB/cm to 3.9 dB/cm with increasing amount of the TiO2 in the structure from 1 wt % to 50 % wt. The band gap of the SiO2- TiO2 composites was estimated from Tauc plot calculated by Kubelka-Munk function from diffuse reflectance spectra of samples obtained using UV-visible reflectance spectroscopy. Using this technique, the anatase TiO2 band gap was observed to be near expected value of ≈ 3.2 eV. The photocatalytic degradation of phenol over the immobilized photocatalysts in the channel walls by the light delivered through the constructed waveguide was used as model reaction to test the reactor and demonstrating very promising performance. The effect of incident light power, flow rate of the reactant and mass fraction of the photocatalyst in aerogel composites and additional oxygen supply on the performance of the reactor were investigated. Along with experimental studies, a simple model for immobilized photocatalytic microphotoreactors with integrated waveguide following a first order reaction rate with light dependency was developed and compared with experimental data for various conditions investigated. The reaction rate parameters were regressed from an exponential model. The model results and experimental data were found to be in good agreement. Lastly, carbon nanotubes (CNTs) were incorporated into the silica-titania matrix during sol-gel method resulting in monolithic composites and to their function on the photocatalytic degradation was investigated. As compared to the silica-titania composite aerogels, simply mixing of CNTs with TiO2 presumably exhibited lower photocatalytic efficiency.
Benzer Tezler
- Plazmonik ve opto-akışkan platformların teorik, hesaplamalı ve deneysel yöntemlerle incelenmesi
Theoretical, computational and experimental studies on plasmonic and optofluidic platforms
YAĞIZ MOROVA
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELÇUK AKTÜRK
- Development of aerogel fibers and composites for textiles
Tekstiller için aerogel fiber ve kompozitlerinin geliştirilmesi
FAHEEM AHMAD
Doktora
İngilizce
2020
EnerjiKoç ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. CAN ERKEY
- Development of cellulose aerogels and composites for medical textiles
Başlık çevirisi yok
UMAİMA SALEEM MEMON
Doktora
İngilizce
2021
Kimya MühendisliğiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAN ERKEY
- Doğal hammadde ve atıklardan alümina-silika esaslı aerojel üretimi
Alumina-silica based aerogel production from natural raw materials and wastes
ÖZGE KILINÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİL TOPLAN
- Sodyum iyon pillere üç boyutlu yenilikçi yaklaşımlar
Innovative three-dimensional approaches to sodium-ion batteries
SIDIKA YILDIRIM GÜLTEKİN
Doktora
Türkçe
2024
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HATEM AKBULUT