Geri Dön

Femtosecond laser assisted synthesis of silicate-1 zeolite

Sılıcalıte-1 zeolitinin femtosaniye lazer destekli sentezi

PDF İndir

  1. Tez No: 717638
  2. Yazar: MEHDI HAGVERDIYEV
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SERİM KAYACAN İLDAY, DR. SEZİN GALİOĞLU ÖZALTUĞ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
  10. Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 154

Özet

Zeolitler, periyodik moleküler gözeneklere ve yüksek yüzey alanlarına sahip mikro gözenekli (gözenek boyutları < 2 nm) inorganik alüminosilikat malzemelerdir ve katalizör, sorbent ve iyon değiştirici olarak çeşitli kimyasal işlemler için yaygın olarak kullanılır. 40 çeşit doğal zeolit dışında, 253 farklı sentetik zeolit kafes türü sentezlenmiş ve Uluslararası Zeolit Birliği (IZA) tarafından tanınmıştır. Zeolit sentezi, 50 °C - 270 °C gibi orta dereceli sıcaklıklar ve yüksek basınçlar gerektirir (120 bar'a kadar). Zeolit sentezindeki temel bir zorluk, zeolit kristallerinin çekirdeklenmesini ve büyümesini aydınlatmak ve kontrol etmektir. Bunun ana nedeni, zeolit sentezinin hızlı kinetiği ve yarı denge fazlar arasındaki hızlı konformasyonel geçişlerdir. Zeolit sentezi karmaşık bir sentezdir çünkü bir reaksiyon karışımında (yani öncü süspansiyon) 40'tan fazla farklı tipte silika polimerizasyon ve depolimerizasyon reaksiyonları aynı anda gerçekleşir. Silika polimerizasyon reaksiyonlarının reaksiyon süresi ölçekleri, pikosaniye ve femtosaniye aralığındadır. Termal dengeye yakın geleneksel hidrotermal sentez yönteminde, 24 saatten birkaç güne kadar olabilen yavaş enerji birikimi nedeniyle, bu eşzamanlı polimerizasyon reaksiyonlarının zaman skalasında bir kontrol sağlayabilmek imkansızdır. Mikrodalga sentezi gibi diğer zeolit sentez yöntemleri, kısa zaman ölçeklerinde yüksek enerjileri biriktirme özelliğine sahiptir. Bununla birlikte, sentez yöntemi, öncü süspansiyonun aşırı ısınmasını kontrol etmede yetersizdir, çünkü mikrodalga ısıtma sırasında öncü süspansiyonun içinde sıvının kaynamasına neden olan çok fazla sayıda sıcak noktalar oluşur. Kontrol edilemeyen ısınma ile büyüme, son üründe baskın olan ayrı kristaller yerine kaynaşmış (yani birbirine bağlı) kristallerin oluşmasına yol açar. Burada, Silicalite-1 zeolitinin sentezi için yeni bir femtosaniye lazer destekli sentez yöntemini tanıtıyoruz. Femtosaniye lazer darbeleri, belli bir zaman aralığı içinde alan başına kesin miktarda enerji verilmesini garanti eder ve bu sebeple, öncü süspansiyona gönderilen enerjinin kontrolü, zeolit sentezinin polimerizasyon reaksiyonlarının zaman ölçeğinde yapılabilmiştir. Femtosaniye lazer darbeleri sayesinde, zeolit sentezi için gerekli olan, yerel yüksek sıcaklık ve yerel yüksek basınç (şok dalgaları) gibi uygun ortam oluşturulmuştur. Mikrodalga sentezi gibi diğer hızlı sentez yöntemlerinin aksine, kontrol edilemeyen küresel sıcaklık artışı gözlemlenmemiştir, bu da, son üründe 'ayrık' kristallere yol açmıştır. Şeffaf öncü süspansiyonun enerji alımı, keskin uzaysal-zamansal termal gradyanları indükleyen femtosaniye lazer darbelerinin multifoton absorpsiyonu yoluyla sağlandı. Bir akışkanın yüzey gerilimi sıcaklığın bir fonksiyonu olduğundan, yüzey gerilimi gradyanları da oluşur ve bu da Marangoni akışına neden olur. Zeolitlerin statik hidrotermal sentezi ile elde edilmeyen indüklenmiş Marangoni akışı ile“karıştırma etkisi”elde edildi. Lazer destekli sentezde indüklenen kuvvetli Marangoni akışının, diğer sentez yöntemlerinden çok daha hızlı çekirdek/polimerize kümeler oluşturduğu ileri sürülmektedir; bu, hidrotermal senteze kıyasla büyük ölçüde azaltılmış reaksiyon sürelerinin nedeni olabilir (yani 30 - 48 saat hidrotermal sentez sürelerine kıyasla, 3 - 5 saatlik lazer destekli sentezler). Tez kapsamında, Silicalite-1 zeolitinin büyüme kinetiği detaylı olarak incelenmiştir. Ek olarak, şablonsuz nano boyutlu mikro gözenekli Zeolit Y ve mikro ve mezo gözenekli mezoprojen içermeyen hiyerarşik ZSM-5 zeolitleri, lazer destekli sentez yöntemiyle az reaksiyon sürelerinde sentezlendi (yani 24 – 45 saatlik hidrotermal sentez sürelerine kıyasla, 1 - 5 saatlik lazer destekli sentezler), bu da, son yıllarda dikkat çeken yeşil sentez yaklaşımları açısından önem arz etmektedir.

Özet (Çeviri)

Zeolites are microporous (pore sizes < 2 nm) inorganic aluminosilicate materials with well-defined molecular pores and high surface areas used widely for various chemical processes, primarily as catalysts, sorbents, and ion exchangers. Aside from 40 types of natural zeolite, 253 different synthetic zeolitic framework types are synthesized and recognized by the International Zeolite Association (IZA). Zeolite synthesis requires moderate temperatures between 50°C - 270°C and high pressures (up to 120 bar). A fundamental challenge in zeolite synthesis is to elucidate and control the nucleation and growth of the zeolite crystals. The main reason for this is the fast kinetics of zeolite synthesis and rapid conformational transitions between quasi-equilibrium phases. Zeolite synthesis is a complex process because more than 40 different types of silica polymerization and depolymerization reactions occur simultaneously in a reaction mixture (i.e., precursor suspension). Reaction time scales of the silica polymerization are within the range of picoseconds and femtoseconds. Using the traditional hydrothermal synthesis method, which is occurring near thermal equilibrium, it is impossible to control the system at the time scale of these simultaneous polymerization reactions due to the slow energy deposition, which can be from 24 hours to several days. Other types of zeolite synthesis methods such as microwave synthesis are capable of depositing high energies in short time scales. However, the synthesis method is lacking the control of the excess heating of the full volume of the precursor suspension. During microwave heating, several hot spots form inside the precursor suspension, causing the boiling of the liquid. Growth by inhomogeneous heating leads to the formation of fused (i.e., interconnect) crystals instead of the discrete ones that dominate the end product in microwave-assisted synthesis method of zeolites. Here, we introduce a novel femtosecond laser-assisted synthesis method for the synthesis of Silicalite-1 zeolites. Femtosecond laser pulses ensure the delivery of a precise amount of energy per area within a given time interval, and therefore the spatiotemporal control over the energy delivered to the precursor suspension could be done on the time scale of the polymerization reactions of the zeolite synthesis. Thanks to the femtosecond laser pulses, the appropriate environment for zeolite synthesis, such as local high temperature and local high pressure (shock waves), has been created. In the laser-assisted synthesis method, the time required for zeolite synthesis decreased drastically compared to the hydrothermal method, overall control and product quality increased compared to the microwave synthesis method of zeolites. Unlike other rapid synthesis methods such as microwave synthesis, the uncontrollable temperature rise over the full volume of precursor suspension was not observed, resulting in 'discrete' crystals in the final product. Energy intake of the transparent precursor suspension was achieved through multiphoton absorption of the femtosecond laser pulses inducing steep spatiotemporal thermal gradients. Since surface tension of fluid is a function of temperature, surface tension gradients form as well, causing Marangoni flow. The 'stirring effect' of these flows leads to the distribution of the formed clusters evenly to the system, which is not attained by static hydrothermal synthesis of zeolites. It is proposed that vigorous flow induced in the laser-assisted synthesis assembles nuclei/polymerized clusters much faster than the other synthesis methods, which may be the reason for the drastically reduced reaction times compared to hydrothermal synthesis (i.e., 30 - 48h for hydrothermal vs. 3h - 5h for laser-assisted syntheses). Growth kinetics of the Silicalite-1 zeolite was examined in detail. In addition, template-free nanosized microporous Zeolite Y, and mesoporogen-free hierarchical ZSM-5 zeolites with micro and meso-porosity were synthesized with reduced reaction times through laser-assisted synthesis method (i.e., 24 - 45h for hydrothermal vs. 1 - 5h for laser-assisted syntheses), which is important in terms of green synthesis approaches drawing attention in recent years.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    775043

    Development and evaluation of laser processed light management interfaces for graphene/silicon Schottky solar cells

    Grafen/silisyum Schottky güneş hücrelerı için lazerle işlenmiş ışık yönetim arayüzlerinin geliştirilmesi ve değerlendirilmesi

    NARDIN AVISHAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Fizik ve Fizik MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Mikro ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPAN BEK

    PROF. DR. HÜSNÜ EMRAH ÜNALAN

  2. Tez No

    797804

    PRK ve FS-lasık yapılan hastalarda koroid kalınlığı ve koroidal vasküler indeksin değerlendirilmesi

    Evaluation of choroidal thickness and coroidal vascular index in PRK and FS-lasik patients

    SEFA ÜNAL

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Göz HastalıklarıSağlık Bilimleri Üniversitesi

    Göz Hastalıkları Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ZEYNEP DURU

  3. Tez No

    868010

    Mikst astigmatlarda femtosaniye lazer yardımlı lasık cerrahisinin uzun dönem sonuçları

    Başlık çevirisi yok

    İNANÇ TUNCEL

    Tıpta Uzmanlık

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Göz HastalıklarıSağlık Bilimleri Üniversitesi

    Göz Hastalıkları Ana Bilim Dalı

    DR. SİBEL AHMET

  4. Tez No

    816792

    Femtosecond laser fabrication and optical characterization of low-loss diamond waveguides

    Düşük kayıplı elmas dalga kılavuzlarının femtosaniye lazer ile üretimi ve optik karakterizasyonu

    FAİK DERYA İNCE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilim ve TeknolojiKoç Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPHAN SENNAROĞLU

  5. Tez No

    444573

    Development of femtosecond infrared fiber laser for multiphoton silicon micromachining

    Femtosaniye kızılötesi fiber lazerin çok-foton silikon mikro işleme'ye geliştirilmesi

    HOSSEIN SALMANI REZAEI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FATİH ÖMER İLDAY

Geri Dön