Geri Dön

Graphene oxide/calcium titanate composite preparation for humidity sensing by quartz crystal microbalance

Kuvars kristal mikrobalans ile nem tayinine yönelik grafen oksit/kalsiyum titanat kompozitlerin üretimi

PDF İndir

  1. Tez No: 770363
  2. Yazar: ZEYNEP DEMİRTAŞ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. BİRGÜL BENLİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Biyomühendislik, Bioengineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 73

Özet

Gelişen teknoloji ve insanların artan ihtiyaçları göz önünde bulundurulduğunda giyilebilen sensörler gibi küçük boyutlarda sensörlerin üretilmesi her geçen gün daha fazla dikkat çekmektedir. Sensörler, hedef bir parametrenin saptanması veya ısı, ışık ve hareket gibi belirli bir uyarana karşın cevap verilmesi ve bu parametre/uyaranların hesaplanabilir bir çıktıya dönüştürülmesi için kullanılan cihazlardır. Günümüzde pek çok alanda kullanılan ve artık insan hayatı kaçınılmaz bir parça olan sensörler gaz ve nem algılanması uygulamaları için de araştırılmakta, kullanılmaktadır. Sensör uygulamaları sırasında akustik, kapasitif, elektromanyetik, elektromekanik, termistör, ultrasonik, piezoelektrik etki vb. gibi çeşitli teknolojiler kullanılmaktadır. Nem ölçümü ise, hava tahminlerinden gıda ve insan güvenliğine, tarımsal proseslerden maden işleme tesislerine kadar pek çok alanda kullanılması nedeniyle 1900'lü yıllardan itibaren ilgi görmeye başlamıştır. Bu nedenle, hızlı, uygun maliyetli ve son derece hassas nem sensörleri tasarlama konusunda artan bir gereksinim ve kapsamlı araştırmalar olmuştur. Çeşitli yöntemler geliştirilmiş olmasına rağmen, Kuvars Kristal Mikroterazisi (QCM), nanogram düzeyinde bir algılama ve geniş bir ölçüm aralığı ile kütledeki değişikliklere karşı mükemmel bir duyarlılığa sahip olduğu için çok umut verici bir adaydır. Ayrıca QCM sensörleri, hafif çalışma koşullarında kararlı ve güvenilirdir ve düşük maliyetle geliştirilebilir. Ancak QCM yüzeyi tek başına neme karşı yeterince duyarlı olmadığı için elektrot yüzeyinin bir algılama yüzeyi ile kaplanması gerekir. Literatürde QCM yüzey kaplaması için geliştirilmiş farklı özelliklere sahip birçok malzeme hakkında çalışmalar mevcuttur. Bununla birlikte, sensörlerin kalitesi ve özellikleri, büyük ölçüde ekstra bir duyarlı algılama katmanına bağlıdır. Bu nedenle, seçicilik, hassasiyet, yanıt/geri kazanım süresi ve kararlılık dahil olmak üzere sensör performansını iyileştirmek için QCM elektrotlarının yüzeyinde ek bir algılama katmanı gereklidir. Algılama katmanı, QCM'nin algılama özelliklerini etkileyen en önemli parametrelerden biridir. Literatürde, nem ölçümü için algılama katmanı olarak farklı tek bileşenli malzemeleri içeren çok sayıda çalışma bulunmaktadır. Öte yandan, gelişmiş algılama özellikleri elde etmek için iki veya daha fazla malzemenin, yani kompozitlerin, kombinasyonu gereklidir. Nem algılama için, kompozit malzeme ya su molekülleri ile etkileşimleri geliştirmek için gözenekli malzemenin eklenmesi ile ya da genel nem duyarlılığını artırmak için neme duyarlı ekstra bir malzeme kullanılması ile yapılabilir. Yapılan çalışmada nem tutucu özellikli bir malzemeye ek olarak su moleküllerinin tutulmasını artırarak aradaki etkileşimi geliştirmek amacıyla ikinci bir malzeme kompozit oluşumu için kullanılmıştır. Ek olarak, bilindiği üzere boyutları 1-100 nm arasında değişkenlik gösteren nanomalzemeler yukarıdan aşağıya (top-down) ve aşağıdan yukarıya (bottom-up) şeklinde iki farklı yaklaşım ile üretilirler ve bulk (dökme) formlarına göre daha farklı ve gelişmiş özellikler göstererek günümüzde araştırmacıların daha iyi özelliklere sahip yeni malzemeler geliştirmelerine de olanak sağlamıştır. Malzemelerin nano boyutlarda farklı fizikokimyasal özellikler göstermesindeki iki ana faktör boyut küçültmeyle ortaya çıkan yüzey etkileri ve kuantum etkileridir. Kompozisyon ve morfoloji gibi farklı kriterlere göre sınıflandırılabilen nanomalzemeler boyutlarına göre de sınıflandırılabilirler. İki boyutlu (2-D) yapısıyla grafen, çeşitli ilgi çekici özelliklere sahip bir nanomalzeme olmakla birlikte grafen oksit veya indirgenmiş grafen oksit gibi türevler içermektedir ve bu özellikleri sayesinde ilaç dağıtımı, doku mühendisliği, biyosensör uygulamaları gibi çeşitli alanlarda kullanılmaktadır. Grafen-temelli malzemelerin türevleri farklı özelliklere sahip olup bunlardan grafen oksit, grafenin kristal yapısından farklı olarak kendi yapısında karbon yüzeyi üzerinde hidrofilik fonksiyonel gruplara sahip olması sebebiyle hem kristal hem de amorf bir yapı sergilemektedir. Grafen oksit sahip olduğu oksijen içeren grupları sayesinde pek çok biyoteknolojik ve nanoteknolojik uygulamalarda kullanılması arzu edilen bir malzeme haline gelmiştir. Mükemmel fiziksel özelliklere sahip iki boyutlu bir malzeme olan grafen oksit, yüzeyindeki su moleküllerinin adsorpsiyonunu sağlayan hidrofilik gruplar nedeniyle nem ölçümü için mükemmel bir adaydır. Ayrıca, kalsiyum titanat olarak ek bir nanoyapılı malzemenin kullanılması, yüzey alanı/hacim oranını artırarak duyarlılığı iyileştirebilir. Bu sebeple kalsiyum titanat partikülleri hem çevreci bir yaklaşıma sahip olup, yüksek dielektrik geçirgenliği ile küçük boyutlarda etkili performans sürdürebilmek hem de su moleküllerinin adsorpsiyonu sırasında porlu bir yüzey sağlayarak etkileşimin gerçekleşeceği yüzey alanını artırmak amacıyla kullanılmıştır. Bu tezde, literatürde ilk kez grafen oksit/kalsiyum titanat kompozit esaslı malzemenin hazırlanma ve kaplama özellikleri araştırılmıştır. Grafen oksit, modifiye edilmiş bir Hummer yöntemi kullanılarak grafit tozundan elde edilmiştir. Hummers metodu grafen oksit sentezi için kullanılan en yaygın metot olmakla birlikte yapılan çalışmalar sırasında metot üzerinde bazı modifikasyonlar gerçekleştirilmiştir. Diğer üretim yöntemlerine göre görece daha hızlı ve güvenli olması bu metotu öne çıkaran özelliklerindendir. Kalsiyum titanat nanopartikülleri başlangıç malzemesi olarak Kalsiyum oksit ve Titanyum (IV) izopropoksit kullanılmasıyla bir sol-jel yöntemi ile sentezlenmiştir. Sentez sonrasında havan kullanılarak partiküller mekanik bir yöntem ile toz haline getirilmiştir. İki farklı malzeme ayrı ayrı üretildikten sonra karıştırılarak kompozit malzeme elde edilmiştir. Grafen oksit, kalsiyum titanat ve grafen oksit/kalsiyum titanat kompozit malzemelerin optik, yapısal ve morfolojik özellikleri için karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Karakterizasyon sırasında optik özellikler, UV-Vis spektrofotometre kullanılarak belirli dalga boylarındaki piklerin tespiti ile incelenmiştir. Ayrıca, üretilen malzemenin iletkenliği hakkında bilgi veren bant aralığı enerjileri de bu aşamada hesaplanmıştır. Yapısal özellikler için ise FT-IR ve XRD analizleri gerçekleştirilmiştir. FT-IR'da tespit edilen karakteristik fonksiyonel grupların varlığı her üç malzemenin de yapısı hakkında hakkında bilgi vermektedir. Özellikle grafen oksitin yapısında bulunan oksijen içeren hidrofilik grupların varlığına dair bulgular FT-IR analizi ile teyit edilmiştir. Malzemelerin morfolojik analizi için SEM görüntüleri alınmış ve literatür ile benzer sonuçlar elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, kompozit malzemenin başarılı bir şekilde üretildiğini doğrulamaktadır.

Özet (Çeviri)

Humidity measurement has been taking attention since 1900s because of the fact that it is used in various aspects from weather forecasts to food and human safety, agricultural processes to mineral processing facilities. Therefore, there has been a growing requirement and extensive research on designing humidity sensors that are rapid, cost-effective, and highly sensitive. Although various methods have been developed, the Quartz Crystal Microbalance (QCM) is a very promising candidate, as it has excellent sensitivity to changes in mass with a nanogram level of detection and, an extensive measuring range. In addition, QCM sensors are stable and reliable in mild operation conditions and can be developed with low-cost. However, the quality and the properties of sensors are highly dependent on the additional sensitive layer. Thus, an additional sensing layer on the surface of QCM electrodes is required to improve the sensor performance including selectivity, sensitivity, response/recovery time and stability. The sensing layer is one of the most important parameters that affects sensing properties of QCM. In literature, there are numerous studies for using different single component containing materials as sensing layer for humidity measurement. On the other hand, the combination of two or more materials, composites, is necessary to obtain improved sensing properties. For humidity sensing, the composite material can be made either with an additional porous material to enhance the interactions with water molecules or with an additional humidity sensitive material to increase the overall humidity sensitivity. Graphene oxide, a two-dimensional material with excellent physical properties, is an excellent candidate for humidity measurement because of the hydrophilic groups on its surface that ensure the adsorption of water molecules. In addition, the use of an additional nanostructured material as calcium titanate can improve the sensitivity by increasing the surface area to volume ratio. In this thesis, the preparation and coating properties of graphene oxide/calcium titanate composite-based material was investigated for the first time in literature. GO was obtained from graphite powder by using a modified Hummer's method. Calcium titanate particles were synthesized by sol-gel method. After the production of two different materials separately, they blended to obtain the composite material. Characterization analyses were performed for optical, structural, and morphological properties of graphene oxide, calcium titanate and graphene oxide/calcium titanate composite materials. The obtained results confirm that a successful production of the composite material was achieved.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    683990

    Synthesis and characterization of graphene oxide-based self-healable nanocomposite hydrogels

    Grafen oksit esaslı kendini onaran nanokompozit hidrojellerin sentezi ve karakterizasyonu

    EZGİ BERFİN ÇEPER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ORHAN GÜNEY

  2. Tez No

    409712

    Reduction of graphene oxide by natural products and production of reduced graphene oxide-hydroxyapatite composites

    Grafen oksitin doğal kaynaklı ürünler ile indirgenmesi ve indirgenmiş grafen oksit-hidroksiapatit kompozitlerinin üretilmesi

    ELİF ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Kimya MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BELMA ÖZBEK

  3. Tez No

    785715

    Propiyonik asit varlığında kalsiyum karbonat kristalizasyonunun incelenmesi

    Investigation of calcium carbonate crystalization in the presence of propionic acid

    GHASSAN AHMED HUSSEIN HUSSEIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Kimya MühendisliğiÇankırı Karatekin Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMED BORA AKIN

  4. Tez No

    837060

    5-fluorourasil için polimer/biyoseramik ve grafen oksit içerikli ilaç taşıyıcı malzeme üretimi ve kinetik çalışmaları

    Production and kinetic studies of polymer/bioceramic and graphene oxide containing drug carrier materials for 5-fluorouracil

    EBRU KAHRAMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLHAYAT SAYGILI

  5. Tez No

    647234

    Development of an injectable polymer-calcium phosphate cement composites for bone substitution

    Kemik ikamesi için enjekte edilebilir polimer-kalsiyum fosfat çimento kompozitlerinin geliştirilmesi

    ÖZNUR DEMİR OĞUZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    BiyomühendislikBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DUYGU EGE

Geri Dön