Effect of electrolyte and electrical parameters on the anodic oxidation of ti to improve photocatalytic performance of TiO2 nanotube structures
TiO2 nanotüp yapıların fotokatalitik performansını artırmak için ti'nin anodik oksidasyonu üzerine elektrolit ve elektriksel parametrelerin etkisi
- Tez No: 856288
- Danışmanlar: PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Titanyum dioksit, çok yönlü, endüstride ve günlük yaşamda çeşitli uygulamaları olan ve yaygın olarak kullanılan bir malzemedir. Doğal olarak oluşabilen rutil ve anataz gibi fazlara sahip bir bileşik olan titanyum dioksit sentetik olarak da farklı yöntemlerle üretilebilmektedir. Titanyum dioksitin en dikkat çekici özelliklerinden biri olağanüstü beyaz rengi ve yüksek opaklığıdır. Bu özellik onu boyalar, mürekkepler ve kozmetikler dahil olmak üzere çok çeşitli uygulamalar için ideal bir pigment yapmaktadır. Titanyum dioksit aynı zamanda çok önemli bir fotokatalitik yarı iletken malzemedir. Kendi bant aralığı değerini (3.0-3.2 eV) aşmasına yetecek enerjiye sahip fotonlarla uyarıldığında elektron-boşluk ikilileri oluşturur. Bu özelliği sayesinde hava ve su ortamlarında boyalar, sürfektanlar, aromatikler gibi pek çok organik bileşiği parçalama yetisine sahiptir. Bu yeti farklı faz ve morflojik yapılarda titanyum dioksitin enerji ve çevre uygulama alanlarında değerlendirilmesini sağlar. Bu uygulama alanlarının başlıcaları; güneş pilleri, hidrojen üretimi, su ve hava arıtmadır. Günümüzde yaşanan dünyasal gelişmeler açısından oldukça stratejik konular haline gelen enerji ve çevre sektörü konularında yer alan bir malzeme olması nedeniyle titanyum dioksite yönelik araştırma ve geliştirme çalışmaları oldukça önemlidir. Titanyum dioksit, yarı iletken özellikleri ve ışığı verimli bir şekilde soğurma kabiliyeti nedeniyle boyaya duyarlı güneş pillerinde (DSSC'ler) çok önemli bir bileşen olarak kullanılır. DSSC'ler, güneş ışığını elektriğe dönüştüren düşük maliyetli ve çevre dostu güneş pilleridir. Titanyum dioksitin elektron transferini kolaylaştırma yeteneği ve uzun süre ışığa maruz kaldığında kararlılığı, onu bu amaç için ideal bir malzeme yapmaktadır. Son yıllarda, ilaç dağıtım sistemleri, kendi kendini temizleyen yüzeyler ve antimikrobiyal kaplamalar dahil olmak üzere çeşitli uygulamalarda titanyum dioksit malzemeler kullanılmaktadır. Yukarıda belirtilen uygulamaların çoğunluğunda titanyum dioksitin nano boyutlu yapıları tercih edilmektedir. Bu yapılar içerisinde nanoparçacıklar, nanotüpler, nanoçubuklar vb. yapılar yer almaktadır. Bu yapılar oluşturmak için sol-gel, hidrotermal sentez, kimyasal buhar biriktirme, lazer ablasyon ve anodik oksidasyon gibi pek çok farklı yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemler arasında yer alan anodik oksidasyon yöntemi, titanyumun kontrollü oksidasyonu ile titanyum dioksit nanoyapıları, özellikle nanotüpleri üretmek için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Anodik oksidasyon işlemi sırasında nanoyapılar organize bir şekilde titanyum yüzeyinde büyütülebilir. xx Titanyumun anodik oksidasyon prosesine önemli etkileri olan proses parametreleri vardır. Prosese en çok etki eden parametreler arasında elektrolit türü, sıcaklığı, anodizasyon voltajı, süresi yer almaktadır. Bunun yanında ön işlemler, yüzey hazırlama, katot seçimi, anot-katot mesafesi, elektrolit karıştırma hızı gibi parametreler de üretilecek nanoyapıları farklılaştırabilmektedir. Genel olarak bakıldığında anodik oksidasyon yöntemi, titanyum dioksit nanoyapıların üretilmesi için çeşitli avantajlar sunmaktadır. Proses, kontrol edilebilir boyutlara ve en boy oranlarına sahip, yüksek düzeyde düzenli, dikey olarak hizalanmış nanotüp dizilerinin oluşumunu mümkün kılmaktadır. Üretilen bu nanoyapılar, fotokataliz, enerji depolama ve biyomedikal cihazlar gibi uygulamalar için faydalı olan yüksek yüzey alanına da sahip olmaktadır. Bunun yanında istenen nano yapı özelliklerini elde etmek için deneysel parametrelerin dikkatli bir şekilde kontrol edilmesi oldukça önemlidir. Bu tez çalışmasında, titanyum folyolardan anodik oksidasyon yöntemi ile titanyum dioksit nanoyapıların üretilmesi, üretilen nanoyapıların karakterizasyonu ve fotokatalitik özellikleri incelenmiştir. Bu kapsamda farklı elektrolitler, elektriksel parametreler kullanılarak üretilen yüzeye etkileri araştırılmıştır. Üretilen nanoyapıların morfolojisi optik ve elektron mikroskopları ile, faz ve bileşik yapıları XRD, XRF ve Raman analizleri ile, optik özellikleri fotoluminesans ve UV-DRS yöntemleri ile ve fotokatalitik performansları organik bileşenlerin parçalanması deneyleri ile karakterize edilmiştir. Tez çalışması kapsamında incelenen bir anodik oksidasyon parametresi periyodik bipolar voltajın etkisidir. Bu çalışmada farklı frekans, iş döngüsü ve voltaj değerleri kullanılarak nanoyapılar üretilmiştir. Üretilen nanoyapıların morfolojilerinin proses parametrelerine göre önemli farklar gösterdiği tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre pozitif voltaj süresinin, pozitif voltaj sıklığının ve nötr voltaj periyotunun arttırılması ile anodik oksidasyon ile üretilen titanyum dioksit nanoyapıların çapları büyütülebilmektedir. Bunun yanında elektrokimyasal hücrede titanyum folyolara negatif voltaj uygulanmasının nanotüp morfolojisini bozduğu ve titanyum yüzeyinde nano boşluklar içeren süngerimsi yapılar oluşturduğu tespit edilmiştir. Araştırılan bir diğer konu da, ön deformasyon işleminin anodik oksidasyon prosesine ve prosesle üretilen nanoyapıların özelliklerine etkisidir. Bu çalışmada titanyum folyolara anodik oksidasyon işlemi öncesinde yüzey yapısının farklılaştırılması amacıyla deformasyon uygulanmıştır. Çekme ve hadde olmak üzere iki farklı deformasyon modu uygulanmış olup her iki mod için de üçer farklı şekil değiştirme oranı kullanılmıştır. Yapılan karakterizasyon analizleri ve fotokatalitik testlerin sonuçlarına göre titanyum folyoların ön deformasyonunun, folyolar üzerinde üretilen titanyum dioksit nanotüplerin fotokatalitik özelliklerine önemli etkileri olduğu tespit edilmiştir. Özellikle hadde deformasyonunun, basma yönünde oluşturduğu gerilimler ile yüzey düzlem yapısını farklılaştırdığı ve bu sayede titanyum dioksit nanotüp yapılarının düzenliliğini arttırdığı belirlenmiştir. Bu değişimler ile nanotüplerin fotokatalitik özellikleri iyileştirilerek organik bileşikleri parçalama özellikleri geliştirilmiştir. Çekme deformasyonunun ise yüzey düzlem yapısına önemli bir etkisi olmamıştır. Buna rağmen tane boyutlarını küçültmesi nedeniyle belirli bir orana kadar çekme deformasyonu da titanyum dioksit nanoyapıların fotokatalitik özelliklerini iyileştirmiştir. Fakat, belirli bir değerin üstünde çekme deformasyonu titanyum dioksit nanotüp yapısında önemli bozulmalara sebep olmuştur ve bu durum yüzeyin fotokatalitik özelliklerine de olumsuz yansımıştır. xxi Tez çalışması kapsamında incelenen bir diğer anodik oksidasyon parametresi de elektrolite yapılan karbon temelli malzeme ilavelerinin proses ve üretilen nanoyapılara etkisidir. Karbon temelli malzemeler olarak çok duvarlı karbon nanotüpler kullanılmıştır. Bu malzemeler anodik oksidasyon elektrolit çözeltisine üçer farklı oranda ilave edilerek anodik oksidasyon testleri yürütülmüştür. Karbonun titanyum dioksit malzemelerin fotokatalitik özelliklerinin geliştirilmesi için oldukça verimli bir katkı maddesi olduğu bilinmektedir. Yapılan karakterizasyon çalışmaları ve fotokatalitik testlerde de bu durum gözlenmiş olup üretilen karbon-titanyum dioksit nanotüp kompozit yüzeylerin, sade titanyum dioksit nanotüp yüzeylere göre daha iyi fotokatalitik özellik gösterdiği belirlenmiştir. Literatüre ilave olarak titanyum dioksit nanotüp-çok duvarlı karbon nanotüp oluşturulmasına yönelik hızlı ve çabuk bir yöntem sunulmuştur. Her ne kadar belirli bir oranda karbon malzeme ilavesinin olumlu etkileri tespit edilmiş olsa da bu oranının üzerinde ilavenin titanyum dioksit nanotüp yüzeylerde topaklanma ve yüzeyi kaplama özelliği nedeniyle optik özellikleri ve dolayısıyla fotokatalitik özellikleri kötüleştirebileceği de tespit edilmiştir. Tez kapsamında yapılan anodik oksidasyon denemelerine ilaveten, bir titanyum yüzey hazırlama yöntemi olan elektroparlatma ve bir titanyum yüzey kaplama prosesi olan sıcak daldırma aluminyumlama yöntemleri de çalışılmıştır. Elektroparlatma prosesi titanyum folyoların yüzeyin sonraki prosesler için pürüzsüzleştirilmesi amacıyla çalışılmıştır. Farklı elektrokimyasal voltaj, süre ve sıcaklık gibi parametreler kullanılarak deneyler yapılmış olup ideal bir proses parametresi belirlenerek başarılı elektroparlatma işlemleri yapılabilmiştir. Titanyum folyolar elektroparlatma yöntemi ile parlatılarak anodik oksidasyon deneylerinde kullanılmıştır. Aluminyunlama yöntemi ile titanyum folyalar yüzeyinde farklı uygulamalar ve sonraki proseslerde kullanmak amacıyla intermetalikler oluşturulması hedeflenmiştir. Farklı sıcaklık ve süreler denenerek yapılan deneyler sonunda titanyum folyolar yüzeyinde aluminyumtitanyum intermetalikleri başarılı bir şekilde oluşturulmuştur. Oluşturulan bu yüzeylerin titanyumun yüksek sıcaklık oksidasyon direncini önemli oranda arttırdığı belirlenmiştir. Bu yüzeylerin anodik oksidasyonu tez kapsamında çalışılmamış olmasına rağmen, intermetalik yapılardan nanoyapılar üretilmesi ilerisi için oldukça önemli olabilecek bir konu olarak belirlenmiştir. Genel olarak bakıldığında tez çalışmasında titanyum folyoların elektroparlatılması, sıcak daldırma aluminyumlanması ve anodik oksidasyonu konuları incelenmiştir. Mekanik olarak parlatılması oldukça zorlu olan titanyum folyolarının elektroparlatılmasına yönelik başarılı bir yöntem geliştirilmiştir. Bunun yanında titanyum folyoların anodik oksdiasyonu ile üretilen titanyum dioksit nanoyapıların fotokatalitik performanslarının geliştirilmesi için farklı yöntemler sunulmuştur. Bu açıdan tez çalışması çıktılarının günümüzde oldukça önemli ve güncel olan çevre ve enerji teknolojileri alanlarında fayda sağlayabileceği düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
TiO2 is a semiconductor material that, when stimulated by photons with energy sufficient to overcome its band gap (3.0-3.2 eV), generates electron-hole pairs. By interacting with one another or through a succession of redox reactions, these charge carriers eventually have the capacity to mineralize a wide range of organic compounds, including dyes, surfactants, aromatics, and alkanes. This property makes various TiO2 forms (powder, nanotube, nanorod, etc.) appropriate for a variety of applications in the energy and environmental domains, such as solar cells, hydrogen production, water purification, air purification, and others. This thesis study was undertaken to investigate production, characterization and photocatalytic performance of TiO2 nanostructures as a very promising semiconducter photocatalyst. Anodic oxidation process utilized for production of TiO2 nanostructures from comercially pure titanium foils. Various electrolytes and elecrtrical parameretes explored to investigate their effect on the surface preperad. Produced nanostructures characterized by surface morphology analyses with optical and electron microscopy, surface phase and structure analyses with XRD, XRF and Raman, optical properties analyses with photoluminescence and UV-DRS, and with organic contaminant degradation tests. One of the anodic oxidation parameters studied in the scope the thesis was cyclic bipolar voltage. In this work group different duty cycle and frequency values was experimented and nano structures succesfully produced on titanium foils. Results showed that the increasing positive pulse duration, number of successive positive pulses and neutral period of the cycle could increase nanotube diameter. Also, application of negative voltage clearly deterioriated the nanotube morphology and produced a sponge like structure at the surface. Effect of pre-deformation mode and strain level on the photocatalytic performance of TiO2 nanotubes produced by anodic oxidation on titanium foils were also investigated. In this study set, three different amounts of tensile and compression strains applied to titanium foil prior to anodic oxidation. Results showed that pre-deformation on titanium foils could have a strong effect on photacatalytic performance of TiO2 nanotubes produced from these foils. Especially cold rolling deformation was quite successful in improving photacatalytic performance. On the other hand, critical amount of tensile deformation did improve photocatalytic performance, where further deformation amount detoriated it. One other anodic oxidation parameter studied in the thesis was effect of carbon structure, namely carbon nanotubes, addition to electrolyte. Different amounts of carbon nanotubes was added to anodic oxidation electrolyte since, in term of impoving xviii photocatalytic performance, carbon is a very effective dopant for TiO2 structutres. Results showed that deposition of carbon structures on TiO2 nanotubes was successful and photocatalytic performance of these doped samples were better than un-doped ones. However due to clustering and covering up effect of carbon structures, with the increase at the carbon concentration in electrolyte, photocatalytic performance decreased. Prior to anodic oxidation experiments, a surface preparation method named electropolsihing and a surface coating method named hot-dip aluminizing also studied. Electropolishing of titanium foils was experimented to produce smooth surfaces for further proceses. Succesfuly electropolished titanium surfaces were preperad after trials with various process parameters and these surfaces used in anodic oxidation trials. Alumizing of titanium foils were investigated to produce intermetalic surfaces for further procesess/applications. Intermetallics of aluminum and titanium succesfully produced with this method and these structures greatly improved high temperature oxidation resistance of titanium foils. Anodic oxidation of these surfaces was not undertaken in the scope of this thesis, however formation of nanostructures on intermetallics could be a very interesting further study. As a whole, thesis study investigated electropolishing, aluminizing and anodic oxidation of titanium foils. Succesfull parameters for electropolishing of commercially pure titanium was established. Additionally, various ways to improve photocatalytic performance of a TiO2 nanostructures demonstrated. In this context, outputs of the thesis study could be useful in two very strategically important and urgent fields namely, energy and envioroment.
Benzer Tezler
- Mikro ark oksidasyon işlemi uygulanmış silisyum karbür takviyeli az91d magnezyum alaşımının korozyon ve aşınma özelliklerinin incelenmesi
Investigation on wear and corrosion properties of micro arc oxidized sic reinforced az91d magnesium alloy
MEHMET RAGIP MUHAFFEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- 7075 alüminyum alaşımı üzerinde oluşturulan mikro ark oksidasyon kaplamaların aşınma ve korozyon dayanımına zirkonya partikül takviyesinin etkisi
Effect of zirconia particle addition on wear and corrosion resistance of micro arc oxidation coatings fabricated on 7075 aluminum alloy
NURHAN ERK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ÇİMENOĞLU
- Nikel köpüklerin ergimiş KOH içerisinde anodik oksidasyonu ile süperkapasitör uygulamaları için elektroaktif nikel oksit üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of electroactive nickel oxides grown on nickel foam by anodic oxidation in KOH melts for supercapacitor applications
NAZLI İREM TOKMAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KAMİL ÜRGEN
- Boru ve profil geometrilerindeki Al 6061 alüminyum alaşımına mikro ark oksidasyon kaplama uygulamaları
Micro arc oxidation coating applications on Al 6061 aluminium alloy in pipe and profile geometries
FURKAN YAŞA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FAİZ MUHAFFEL
- Modifiye polianilin elektrodun metanol ve etilen glikol oksidasyonunda katalitik özelliklerinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
FEHMİ FIÇICIOĞLU
Doktora
Türkçe
1998
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimyagerlik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİGEN KADIRGAN