Design and synthesis of a black phosphorus-based heterojunction photocatalyst for hydrogen generation from methanolysis of ammonia borane
Amonyak borandan metanoliz yöntemiyle hidrojen eldesi için siyah fosfor bazlı fotokatalizör tasarımı ve sentezi
- Tez No: 648327
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÖNDER METİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Kimya Mühendisliği, Chemistry, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 95
Özet
Yakın geçmişte, çeşitli iki-boyutlu (2B) malzemeler eşsiz elektronik, optik ve termal özelliklerinden dolayı bilimsel çevrelerden yoğun ilgi çekmektedirler. Bunlar arasından, fosfor ailesinin termodinamik olarak en kararlı allotropu 2B siyah fosfor (BP), ayarlanabilir optik bant aralıklı ve metal içermeyen yapısı dolayısıyla, nanoelektronik, optoelektronik ve kataliz alanlarında çalışılmaya başlanmıştır. Bu özelliklerine ek olarak, BP görünür ışık ile uyarılabilen ve yüksek yük taşıyıcısı mobilitesine sahip bir yarı iletkendir. Ancak, BP'nin yaygın kullanımını engelleyen bir takım istenmeyen özellikleri vardır. Bunlar, sentezindeki zorluklar ve oda koşullarındaki kararsızlığı olarak özetlenebilir. Bir başka 2B yarıiletken olan grafitik karbon nitrür (g-CN), metal içermemesi, kolay ve ucuz sentezi sebebi ile çokça çalışılmaya başlayan diğer bir 2B malzeme olmuştur. Fakat g-CN' ün geniş optik bant aralığı ve yük taşıyıcılarının rekombine olma eğilimi özellikler bu malzemenin kullanılabilirliğini düşürmektedir. Farklı yarıiletkenler ve/veya metal nanopartikülleri (NP) arasında heteroeklemler kurmak, yük taşıyıcılarının rekombine olma eğilimini düşürerek, fotokatalizör etkinliğini arttırmak için geçerli bir strateji olarak görünmektedir. Bu tez kapsamında, g-CN, BP ve gümüş-paladyum (AgPd) alaşım nanopartiküllerinin oluşturduğu bir heteroeklem sistemli katalizörün tasarımı ve sentezi gerçekleştirildi. Sentezlenen heteroeklem katalizörün katalitik performansı, görünür bölge ışık aydınlatmasında amonyak boranın (AB) metanolizinden hidrojen salıverilmesinde kullanıldı. Bunun için, BP kristalleri kimyasal buhar taşıma yöntemi ile sentezlenip, uygun bir çözücü içinde tabaklarına ayrıldıktan sonra mezogözenekli karbon nitrür (mCN) malzeme ile birleştirilerek mCN/BP ikili hibrit malzemesi elde edildi. Başka bir yerde daha önceden sentezlenmiş olan AgPd nanopartikülleri daha sonra bu ikili hibrit malzeme üzerine desteklendi ve tezde heteroeklem katalizör olarak kullanılan son malzeme elde edildi (mCN/BP/AgPd). Elde edilen üçlü nanokompozit malzemenin uygun bant aralıkları ve pozisyonları aracılığıyla başarılı bir heteroeklem yapıya sahip olduğu kanıtlandı ve bu kurulan heteroeklemin AgPd alaşım nanopartiküllerinin metanoliz reaksiyonunda aktiveye olumlu etkisi olduğu görüldü. Gelişmiş analitik cihazlar ve yöntemler kullanılarak, sentezlenen malzemelerin yapısal karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirildi. Daha sonrasında, sentezlenen malzemeler AB' dan metanoliz aracılığıyla hidrojen eldesi için oda koşullarında, fotokatalizör olarak denendi. mCN/BP kompozitinin ve AgPd alaşım nanopartiküllerinin kompozisyonu, yüzey temizleme işlemleri, ışık kaynakları gibi çeşitli parametreler değiştirilerek detaylı kinetik çalışmalar yürütüldü. En yüksek fotokatalitik aktivite, yüzeyi asetik asit (AT) ile temizlenen mCN/BP/Ag1Pd1/AT heteroeklem yapılı katalizör ile mavi ışık altında oda sıcaklığında 43.7 mol H2 mol AgPd−1 dakika−1 çevrim frekansı (TOF) değeriyle elde edildi. Katalizörün tekrar kullanılabilirliği, beş çevrim testi ile gösterildi ve son çevrimde mCN/BP/Ag1Pd1/AT üçlü nanokompozit fotokatalizörünün, ilk aktivitesinin %70' ini koruduğu görüldü.
Özet (Çeviri)
In recent years, various two-dimensional (2D) materials have attracted great attention due to their unique electrical, thermal, and optical properties. Among them, 2D black phosphorus (BP), thermodynamically the most stable member of phosphorus allotropes, has received great attention in the fields of nanoelectronics, optoelectronics and catalysis owing to its advantageous properties such as having a tuneable optical bandgap and metal-devoid structure in addition to its visible light active characteristics with a high charge carrier mobility. However, there are some limitations that hinder the usage of BP in catalysis applications such as the difficulties in its synthesis and handling along with ambient instability. On the other hand, graphitic carbon nitride (g-CN), another emerging 2D semiconductor material, has attracted attention in catalysis because of its desirable properties such as being metal-free and low-cost but it holds certain drawbacks e.g. relatively large optical band gap and rapid recombination of charge carriers. Construction of heterojunctions between different semiconductors and/or metal nanoparticles (NPs) is a promising strategy to overcome the problems associated with the charge recombination and thus to create more efficient photocatalysts. In this thesis, we aimed to develop a novel heterojunction photocatalyst comprising g-CN and BP semiconductors and AgPd alloy NPs and test their catalytic performance in hydrogen generation from the methanolysis of ammonia borane (AB). To do so, bulk BP crystals were synthesized by using a vapor transport method and then exfoliated in a suitable solvent in order to combine it with mesoporous g-CN (mCN) and as-synthesized AgPd alloy NPs, yielding a ternary composite (mCN/BP/AgPd). The yielded ternary nanocomposite was shown to have a suitable heterojunction between semiconductor BP and mCN with appropriate band gap energies and band positions, which greatly contributes to increased photocatalytic activity of AgPd alloy NPs in the methanolysis of AB. The structure of mCN/BP/AgPd nanocomposites was characterized by using advanced analytical tools. Next, they were employed as catalysts in hydrogen generation from the methanolysis of AB under ambient conditions. Different parameters including mCN/BP ratio in the binary nanocomposite, AgPd alloy nanoparticles composition, surface stripping procedures, and light-source were investigated with detailed kinetic studies to find the optimum conditions to boost the photoactivity of mCN/BP/AgPd ternary nanocomposites in the methanolysis of AB. The highest photocatalytic activity with an turnover frequency (TOF) value of 43.7 mol H2 mol AgPd−1 min−1 was achieved by using g-CN/BP ratio of 5/1, applying an acetic acid treatment (AT), and Ag1Pd1 alloy composition under blue LED irradiation at room temperature. The reusability of the optimized mCN/BP/AgPd/AT ternary nanocomposites was shown with a five-cycle photocatalytic test, with the photocatalyst retaining 70% of its initial activity at the last cycle.
Benzer Tezler
- Nanomaterials in macromolecular synthesis
Makromoleküler yapıların sentezinde nanomalzemelerin kullanımı
AZRA KOCAARSLAN AHMETALİ
Doktora
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF YAĞCI
- The rational design of heterogeneous photocatalysts for the tandem photocatalytic hydrogen evolution and reduction of organic compounds in water
Suda tandem fotokatalitik hidrojen üretimi ve organik bileşiklerin indirgenmesi için heterojen fotokatalizörlerin rasyonel tasarımı
BEGÜMHAN KARAPINAR KOÇ
- Destek vektör makinelerinin mikrodalga teori ve tekniğindeki uygulamaları
The applications of support vector machines in microwave theory and technique
NURHAN TÜRKER TOKAN
Doktora
Türkçe
2009
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ GÜNEŞ
- Mikrodalga transistorun yapay sinir ağı ile performans analizi ve modellenmesi
Performance analysis and modelling of a microwave transistor by neural networks
CEMAL TEPE
Doktora
Türkçe
2000
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ GÜNEŞ
- Azot katkılı karbon yapılarının PEM yakıt pili katalizör destek malzemesi olarak sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of nitrogen doped carbon structures as a PEM fuel cell catalyst support material
MERVE HURŞİT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
EnerjiAtatürk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE BAYRAKÇEKEN YURTCAN