Role of Silica in the self-assembly of salt-surfactant mesophases and synthesis of Mesoporous metal oxides
Tuz-yüzey aktif arafazlarının kendiliğinden oluşumunda Silika'nın rolü ve mezogözenekli metal oksitlerin sentezi
- Tez No: 828555
- Danışmanlar: PROF. ÖMER DAĞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Son yıllarda, mezogözenekli metal oksitler benzersiz optik, elektrokimyasal ve katalitik özellikleri nedeniyle büyük ilgi çekmektedir. Mezogözenekli nikel oksit (m-NiO), yüksek yüzey alanına sahip olması ve p-tipi bir yarı iletken olması nedeniyle uygulama alanları çok yönlüdür. Bu nedenle, mezogözenekli nikel oksit elektrokromik cihaz, elektrot, süperkapasitör ve katalizör alanları için yoğun çalışılmıştır. Nikel oksitin elektrokimyasal özellikleri morfolojisine, yüzey alanına ve partikül boyutuna bağlıdır. Bu tezde, yüksek yüzey alanına ulaşmak için yumuşak kalıplama (eriyik tuz yardımlı kendiliğinden oluşma yöntemi) ve sert kalıplama yöntemleri birlikte kullanılarak mezogözenekli nikel oksit ince filmleri sentezlenmiştir. Homojen sulu çözeltilerde nikel(II) nitrat hekzahidrat ([Ni(H2O)6](NO3)2), TMOS (tetrametilortosilikat, silika kaynağı) ve iki yüzey aktif madde CTAB (yüklü yüzey aktif madde) ve C12E10 (iyonik olmayan yüzey aktif madde) çözeltileri, yalnızca TMOS eklenmeden önce nitrik asit eklenirse karalıdır. Nitrik asit olmadığında, TMOS hızla hidrolize olup polimerleşerek, silika olarak çöker. Silika ayrıca nikel(II) klorür hekzahidrat, nikel(II) sülfat hekzahidrat, kobalt(II) nitrat hekzahidrat ve mangan(II) nitrat tetrahidrat gibi diğer tuzlar kullanılarak da oluşur. Bu silika çökeltileri çözeltiden ayrıldıktan sonra ATR-FTIR, küçük-açı ve geniş-açı XRD ve N2 adsorpsiyondesorpsiyon ölçümleri ile karakterize edilmiştir. 1.7 ve 23o derecedeki difraksiyon kırınımları, numunin mesoyapılı ve yüzeyaktif bölümler arasında yer alan amorf silika olduğunugöstermektedir. Silika çökeltileri 2 saat boyunca 450 oC'de kalsine edilerek vii yüzey aktif madde tamamen uzaklaştırılmış ve oluşan malzeme ATR-FTIR, küçük-açı ve geniş-açı XRD ölçümleri, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon analizi ve SEM-EDX ile karakterize edilmiştir. Maksimum yüzey alanı (1395 m2 /g) kobalt(II) nitrat hekzahidrat tuzu ile elde edilmiştir ve EDX analizi, elementel analizinde silikon ve oksijenden başka bir element olmadığını doğrulanmıştır. Nikel(II) nitrat hekzahidrat ([Ni(H2O)6](NO3)2), HNO3, TMOS ve iki yüzey aktif madde (CTAB veC12E10) homojen kararlı sulu çözeltileri, arafazları oluşturmak amacı ile, cam bir alttaş üzerine damlatılarak küçük-açı XRD, ATR-FTIR ve POM teknikleri ile analiz edilmiştir. 1.5 ve 1.6 derecedeki difraksiyon kırınımları düzenli liyotropik sıvı kristal arafazların oluşumunu gösterir. Bu arafazlar daha sonra farklı sıcaklıklarda (250 ila 500 oC) kalsine edilmiş ve elde edilen mezogözenekli NiO/SiO2 tozları ATR-FTIR, XRD, N2 adsorpsiyon-desorpsiyon ve SEM-EDX teknikleri ile karakterize edilmiştir. 300 °C'de yakılan malzemelerden elde edilen XRD desenleri, mezogözenekli 2.6 nm kristalin NiO kaplı silika (m-NiO/SiO2) ince filmlerin oluşumunu gösterir. Gözenek duvarlarında kaplı nickel oksit parçacık boyutu, sıcaklık arttıkça büyür ve 500 °C'de parçacık boyutu yaklaşık 7.9 nm olur. XRD verisi, yüksek sıcaklıklarda azalan BET yüzey alanı analizi tarafından da desteklenmektedir. 300 °C'de BET yüzey alanı 305 m2 /g iken, 500 °C'de bu değer 174 m2 /g'ye düşer. Bununla birlikte, m-NiO/SiO2'nin gözenek boyutu değişmez, bu da gözenek duvarlarının silika sert şablonun varlığından dolayı üç boyutlu alanda değil, iki boyutlu alanda büyüdüğünü gösterir. Dolayısıyla, sert ve yumuşak kalıplama yöntemlerinin birleştirilmesi yöntemi, yüksek yüzey alanına sahip kristalin malzemelerin sentezinde verimli bir şekilde kullanılabilir. m-NiO/SiO2 filmleri FTO alttaş üzerine kaplanıp farklı sıcaklıklarda kalsine edilerek elektrokimyasal oksijen üretme tepkimesi (OER) için elektrotlar üretildi. Döngüsel voltametri sırasında, m-NiO/SiO2 gözenek duvarı NiOOH'a oksitlenir ve geri dönğüde ise Ni(OH)2'ye indirgenir. Ayrıca, bu elektrotların OER overpotansiyel ölçümleri, zamanla ve kullandıkça azaldığı ve elektrot kalınlığına bağlı olmadığı belirlendi.
Özet (Çeviri)
In recent years, mesoporous metal oxides have attracted great attraction due to their unique optical, electrochemical, and catalytic properties. Mesoporous nickel oxide (m-NiO) is a p-type semiconductor, versatile in its application due to its high surface area, and has been investigated towards electrochromic devices, electrodes, supercapacitors, and catalysts. The electrochemical properties of NiO depend on its morphology, surface area, and particle size. In this thesis, mesoporous nickel oxide has been synthesized by combining soft templating (molten salt-assisted self-assembly method) and hard templating methods to attain a high surface area. Homogeneous aqueous solutions of nickel(II) nitrate hexahydrate ([Ni(H2O)6](NO3)2), TMOS (as silica source), and two surfactants, CTAB (charged surfactant) and C12E10 (nonionic surfactant) are stable only if a concentrated nitric acid is added before the TMOS addition. In the absence of nitric acid, TMOS hydrolyzes and condenses quickly, resulting in silica precipitation. The silica precipitation also occurs by using other salts, such as nickel(II) chloride hexahydrate, nickel(II) sulfate hexahydrate, cobalt(II) nitrate hexahydrate, and manganese(II) nitrate tetrahydrate. The silica precipitate is characterized by ATR-FTIR, small-angle, and wide-angle XRD and N2 adsorption-desorption measurements. The diffraction lines at 1.7 and 23o , 2θ, indicate the formation of mesostructured amorphous silica, in which the surfactant species fill the iv pores. . The silica precipitate is calcined at 450 oC for two hours to remove the surfactant completely, and characterized by ATR-FTIR, small-angle and wide-angle XRD measurements, N2- adsorption-desorption analysis and SEM-EDX techniques. The maximum surface area (1395 m2 /g) is obtained from the cobalt(II) nitrate hexahydrate salt, and the EDX analysis confirms that there is no element other than silicon and oxygen in its elemental detection limit. The homogeneous, stable aqueous solutions of the nickel(II) nitrate hexahydrate ([Ni(H2O)6](NO3)2), HNO3, TMOS (as silica source), and two surfactants, CTAB (charged surfactant) and C12E10 (nonionic surfactant) solution is drop-casted on a glass slide to form a mesophase and analyzed by small-angle XRD, ATR-FTIR and POM techniques. The diffraction lines at 1.5 and 1.6o , 2θ, show the formation of ordered lyotropic liquid crystalline mesophases. The mesophases are then calcined at different temperatures (from 250 to 500 °C), to obtain m-NiO/SiO2 powders and characterized by ATR-FTIR, XRD measurements, N2- adsorption-desorption analysis, and SEM-EDX techniques. The XRD patterns show broad lines at small- and wide-angles, indicating the formation of m-NiO/SiO2 at 300 °C, where the pore-walls are made up 2.6 nm crystalline NiO coated amorphous silica . The NiO particle size (on the pore wall) grows with increasing annealing temperature, and at 500 °C, the particle size reaches 7.9 nm. This is also supported by the BET surface area that decreases at higher temperatures. At 300 °C, the BET surface area is 305 m2 /g, which drops to 174 m2 /g at 500 °C. However, the pore size of m-NiO/SiO2 does not respond to annealing temperature. It means that the pore walls grow in 2D space rather than 3D due to the presence of silica as a hard template. Therefore, combining the hard- and soft-templating methods can efficiently synthesize the crystalline materials with a high surface area. The m-NiO/SiO2 films can be coated over the FTO glass and calcined at different temperatures to fabricate the electrodes for oxygen evolution reaction (OER). During CV measurement, the NiO pore-walls get oxidized to NiOOH and reduced to Ni(OH)2 in the back cycle. Moreover, overpotential that is determined for the OER improves with the usage of the electrode, independent of the electrode thickness.
Benzer Tezler
- Synthesis of silica particles using SDS-pluronic couples
Mezo yapılı silika parçacıklarının SDS-pluronik ikilisi ile sentezi
MUSTAFA SAYIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER DAĞ
- Synthesis of mesoporous silica particles by controlling the CTABr-pluronic assembly
CTABr-pluronic sisteminin kontrolüyle mezogözenekli silika parçacıklarının sentezlenmesi
ALTUĞ SÜLEYMAN POYRAZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER DAĞ
- Nanoscale patterning of liquid crystal-aqueoues interfaces
Sıvı kristal-su arayüzünün nano ölçekte örüntülenmesi
ALİ AKMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMRE BÜKÜŞOĞLU
- Langmuir Blodgett assembly of peptide functionalized nanoparticles onto silicatebased surfaces and their characterization
Peptit ile fonksiyonlandırılmış nanoparçacıkların Langmuir Blodgett yöntemi ile silika tabanlı yüzey üzerine kaplanması ve karakterizasyonu
NUR MUSTAFAOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Biyolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ÜRGEN
- Biomimetic antireflection coatings on silicon
Biyobenzetim yöntemiyle silisyum tabanlı ince film yansıtmayan kaplama üretimi
MÜMİN BALABAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN KIZIL