Synthesis and characterization of carbon quantum dots by microwave heating method
Mikrodalga ısıtma yöntemiyle karbon kuantum noktalarının sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 864551
- Danışmanlar: PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ, DOÇ. DR. SEDEN BEYHAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 79
Özet
Karbon kuantum noktaları (CQDs), son yıllarda araştırmacılar tarafından giderek daha fazla ilgi görmektedir. Bunun sebepleri, optik özellikleri, yüzeydeki fonksiyonel gruplarının bolluğu, sudaki yüksek çözünürlüğü, düşük toksisitesi ve biyo uyumluluğu gibi zengin özelliklerdir. Ayrıca, bu noktalar düşük maliyetli ve çevre dostu olması nedeniyle nano sensör, biyo görüntüleme, ilaç salınımı ve foto kataliz gibi alanlarda da önemli potansiyele sahiptir. Nano malzemeler ve kuantum noktalarıyla ilgili endişeler, düşük toksisite ve biyo uyumluluğudur, bu da karbpn noktalarının özel özellikleridir. Ayrıca, bu noktalar düşük maliyetli ve çevre dostu yöntemlerle sentezlenebilir. Bu yöntemler, sitrik asit , portakal suyu, pirinç ve kahve çekirdekleri gibi heterojen kaynakları içermektedir. CQD'ler nano sensör, biyo görüntüleme, ilaç salınımı ve foto kataliz gibi alanlarda da önemli potansiyele sahiptir. Buna ilaveten, karbon kuantum noktalarının yapısı genellikle amorf bir karbon yapıdan oluşur ve kenarlarında oksijen ve azot gibi bazı kusurlar bulunmaktadır. Bu tezde CQD' ler, ucuz ve son derecede kullanışlı bir yöntem olan mikrodalga destekli sentezle hazırlanmıştır. karbon kaynağı olarak portakal suyu tercih edilmiş ve azot (N) ve sülfür (S) katkısı olarak tiyoüre kullanılmıştır. Ayrıca, İlave edilen tiyoüre miktarının CQD'lerın özellikleri üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Aynı zamanda portakal suyu yerine sitrik asit kullanılarak elde edilen CQD' lar karşılaştırılmıştır. Filtrelemenin sentezleme üzerindeki etkisini bilmemize bağlı olarak, iki farklı yöntem kullandık. Filtreleme yöntemlerimiz, kromatografi sütunu ve Standart Filter Prosedür (RFP) filtresi olarak adlandırdığmız bir yöntemdir. RFP filtre vakum, şırınga ve santrifüj yöntemler içermektedir. Portakal suyu ve 2 g tiyoüre ile CQD'ler sentezledik ve bu filtereleme yöntemlerini kullandık. Ayrıca, bu iki örneği X-Işını Kırınım (XRD) ile analiz ettik. Portakal suyu ve 0.3 g, 1.5 g ve 2 g tiyoüre ile elde edilen CQD'ler örneği, uyarlama dalga boyu olarak 325 nm ve 350 nm'de farklı fotolüminesans yoğunluklarına sahip oldukları için seçildiler. Ayrıca, sitrik asit ile elde edilen CQD'lerin tiyoüre miktarı aynıdır. 3D kontur haritasından açıkça görülebilmektedir ki, portakal suyunda tiyoüre katkısının ve sitrik asidin fotolüminesans (PL) emisyon şiddetinın üzerindeki etkileri birbirine zıttır. Sitrik asitte tiyoüre katkısının etkisi sonucuna göre, fotolüminesans emisyon şiddeti tiyoüre katkını artışıyla tamamen bastırılmıştır, muhtemelen yüzeyde su ile hidrojen bağı oluşmasından kaylanmaktadır. Maksimum emisyon dalga boyu, 450 nm' den 430 m'ye kadar değişim gösterir. Bu kontur haritasına göre, sitrik asit ve 0.3 g tiyoüre ile elde edilen CQD'lerde üç farklı bileşen bulunmaktadır. İlk bileşende, 350 nm'de uyarladığında kırmızı bölgede maksimum 450 nm 'lik bir emisyonla birlikte emisyon artışı görülür. İkinci bileşen ise mavi bölgededir ve 270 nm'de uyarılığında 480 nm'de pik yapar. Üçüncü bileşen ise, 430 nm'de uyarıldığında PL emisyon dalga boyu 520 nm'ye kayar. Bunun aksine, tiyoüre katkının artışıyla portakal suyunda PL emisyon şiddeti artar. Uyarlama dalga boyunun ve tiyoüre miktarının (0.3 , 1.5 , 2 g ) PL emisyon yoğunluğu üzerindeki etkisi, 330 nm'de uyarladığında kırmızı bölgede maksimum değere (400 nm) sahip bir artş gösterir. Ayrıca, her iki nemune uyarlama dalga boyuna bağlıdır. Sentezlenen CQD' lerın optik spektroskopi teknikleri (UV-Vis Absorpsiyon Spektroskopisi, Fotolüminesans (PL) Emisyon Spektroskopisi), yapısal özellikleri (X-Işını Kırınım (XRD), Geçirimli Elektron Mikroskop (TEM) ) ve in-situ Fourier Dönüşümlü Infrared (FTIR) Spektroskopi gibi çeşitli analiz teknikleri kullanılarak incelenmiştir. XRD sonucuna göre, analiz edilen nemunelerde karbon (002) düzlemine ait kırınım piki baskındır ve bu pike bağlı olarak hesaplanan düzlemler arası uzaklık değeri yaklaşık 0.32 (RFP filtresi ile filterlenen örnek) nm ve 0.36 (kromatografi sütunu ile filterlenen örnek) belirlenmiştir. Bu değerler, grafit karbondan daha küçük ve büyük bir uzaklık değerini ifade etmektedir. 0.36 nm, grafitik ara tabaka aralığından daha büyüktür ve CQD'lerin doğası zayıf kristal yapıya sahip olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, RFP yöntemiyle elde edilen sonuçlar kafes parametrelerine göre daha makul görünmektedir. TEM görüntülerinin detaylı analizi ile, parçacık boyutlarının 30-50 nm aralığında olduğu tespit edilmiştir. Ancak, sonuç olarak, TEM görüntüleri elde edilen CQD'lerin yapısındaki 'd' aralıkları, çizgi oluşumları veya kusurlar gibi ek özellıklerin gözlemlemesi mümkün değildir. Bunun muhtemelen çözünürlük ve görüntü faz kontrasıyla ilgili olduğu düşünülmektedir. FTIR spektrumlarından elde edilen sonuçlara göre, N ve S katkılı CQD' lerinin çeşitli fonksiyonel grupları içerdiğini göstermektedir. Bu gruplar arasında C=C, C=O, C-O-C -CS, -CH, C≡N, -NH, ve –OH gibi çeşitli bağlantılar bulunmaktadır. Ayrıca, tiyoüre ile katkılanan ve portakal suyundan elde edilen CQD' ların floresans kuantum verimi (QY), kinin sülfata standardına göre hesaplanmıştır.Bu hesaplama, CQD'ların floresans özelliklerini değerlendirmek için kullanılan yöntemdir. Floresans kuantum verimi, CQD'ların ne kadar etkili bir şekilde ışığı emip ve yeniden yaydığını gösterir. Bu sonuçlar, CQD'ların floresan özelliklerinin belirlenmesi ve potansiyel uygulamalarında değerlendirilmesi için önemli bi bilgi sağlamaktadır. Analizlere göre, thiyoüre miktarının artmasıyla parçacık boyutu küçülür, bu nedenle parçacık boyutu azaldıkça QY değerinin arttığı söylenebilir. Bu sebeple, Katkı miktarının artışıyla birlikte QY değerlerinin arttığı gözlemlenmiştir. Bu durum, CQD'lerin optik özelliklerinin katkı miktarına bağlı olarak iyileştiğini göstermektedir. Bununla birlikte, mikrodalga destekli sentez yöntemleri ile ilgili sınırlı sayıda çalışma olduğundan, bu yöntemi CQD'leri sentezinde tercih ettik. Yapılan çalışmalar sonucunda, mikrodalga destekli sentez yöntemiyle elde edilen CQD'lerin en yüksek kuantum veriminin değeri yaklaşık %7.1 olarak bulunmuştur. CQD'ler, karboksil, hidroksil ve karbonil gruplarının varlığı sayesinde protik ve aprotik çözücülerde kolaylıkla dağlabilir. Fakat, karbon noktaları apolar çözücülerde dağılamazlar. Ek olarak, karbon noktaları ile çözücüler arasındaki etkileşim, PL emisyon dalga boyunda hayati bir rol oynamaktadır. Solvent polaritelerinin etkisini incelemek amacıyla, farklı çözücü ortamlarında (polar protik, aprotik ve apolar), uyarılma dalga boyuna bağlı photoluminescence (PL) emisyon özellikleri incelenmiştir. Bu çalışmada, solvent polaritesinin karbon kuantum noktalarının floresans özellikleri üzerindeki etkisini belirlemek için sırasıyla (su, mthanol, ethanol, asetonitril, aseton, kloroform, n-hekzan) gibi çeşitli solventler kullanılmıştır. Yapılan analizlere göre, tüm çözücüler de uyarılma dalga boyuna bağlı olarak emisyonun kırmızıya doğru kaydığı gözlemlenmiştir. Ancak, bu kayma değerlerinin kullanılan çözücülerin polaritelerine bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir. Bununla birlikte, PL emisyon incelendiğinde, çözücü polaritesinin artışıyla birlikte uyarılma dalga boyunun 325 nm' den daha büyük olduğu durumlarda PL emıisyon azaldığı gözlenmiştir. Buna karşı, 325 nm' den daha düşük bir uyarılma dalga boyuna sahip CD' lerin çekirdeğinde yer alan fonksiyonel grupların etkin rolü gözlenmiştir. Bu gruplar, PL emisyon şiddetini artırabilir.
Özet (Çeviri)
Carbon quantum dots (CQDs) have received considerable attention from researchers in recent years due to their rich features such as optical properties, abundance of functional groups on the surface, high solubility in water, low toxicity, and biocompatibility. In addition, they have applications in various fields such as bio-imaging, drug delivery, and photo-catalysis and they are low-cost and environmentally friendly. In this thesis, carbon dots (CDs) were prepared by using orange juice as a carbon source and thiourea as a doping of nitrogen (N) and sulfur (S) with the microwave-assisted synthesis method, which is a low-cost and extremely useful method. The effect of adding the amount of thiourea was examined. Moreover, CQDs obtained by using citric acid instead of orange juice were compared. Synthesized carbon dots are analyzed by optical spectroscopy techniques (UV-Vis Absorption Spectroscopy, Photoluminescence (PL) Emission Spectroscopy), structural properties (X-Ray Diffraction (XRD), Transition Electron Microscope (TEM)) and in-situ Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). According to the XRD result, the diffraction peak belonging to the carbon (002) is dominant and the interlayer distance value calculated based on this peak is approximately 0.32 nm, which is smaller than the graphite carbon. By analysis of TEM images, the particle size was determined to be in the range of 30-50 nm. The results obtained from the FTIR spectra show that N and S-doped CQDs contain various functional groups such as C=C, C=O, C-O-C -CS, -CH, C≡N, -NH, and –OH. The fluorescence quantum yield (QY) of CQDs obtained from orange juice, which was doped with thiourea was calculated according to the quinine sulfate standard. It was observed that the QY values increased by the increase of the amount of thiourea. However, there are limited studies on microwave-assisted synthesis methods, so we preferred to synthesize CQDs by this method, and the value of the highest QY was found approximately 7.1%. Photoluminescence (PL) emission properties depending on the excitation wavelength were examined in different solvent environments such as polar protic (water, methanol, ethanol), aprotic (acetonitrile, acetone), and non-polar (chloroform, n-hexane) in order to consider the effect of solvent polarities. We observed the emission wavelength due to excitation in all solvents towards red-shifted and these shift values changed according to the polarity of the solvents used. However, the PL emission intensity decreases with increasing solvent polarity when the excitation wavelength is greater than 325 nm. On the other hand, the observed PL emission intensity increased with the active role of functional groups in the core of CDs at excitation wavelengths lower than 325 nm excitation.
Benzer Tezler
- Çinko nanotanecik içeren polimer nanokompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of polymer nanocomposite materials incorporated zno nanoparticles
ALEV AKBAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE KÜÇÜKBAYRAK OSKAY
- Gümüş nanotanecik katkılı nanokompozit malzemelerin üretimi ve karakterizasyonu
Fabrication and characterization of silver doped nanocomposites
ÖZLEM KABAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SADRİYE OSKAY
- Yeşil sentezle momordica charantıa'ten karbon kuantum noktaların eldesi, kitosan destekli heterojen gümüş katalizör hazırlanması ve nitroaromatik bileşiklerin indirgenmesinde kullanılması
Green synthesis of carbon quantum dots from momordica charantia, preparation of chitosan supported heterogeneous silver catalyst and its use in reduction of nitroaromatic compounds
FARAH SAMIR SALIM SALIM
- Zinc (Zn) doped carbon (C) based quantum dot (QD) synthesis & characterization
Çinko (Zn) katkılı karbon (C) bazlı kuantum nokta (KN) sentezi ve karakterizasyonu
OĞUZ GENÇER
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CANER ÜNLÜ
- Synthesis of amphiphilic carbon quantum dots through carbonization of supramolecules
Supramoleküllerin karbonizasyonu ile amfifilik karbon kuantum noktalarının sentezi
İBRAHİM YAĞIZ COŞKUN
Yüksek Lisans
İngilizce
2021
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CANER ÜNLÜ