Geri Dön

Development of laser induced graphene & its composites for gas sensors and photocatalysis applications

Gaz sensör ve fotokataliz uygulamaları için lazerle üretilmiş grafen ve kompozitlerinin geliştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 904319
  2. Yazar: GİZEM SOYDAN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK, PROF. DR. AHMET TUĞRUL ALPAS
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Metallurgical Engineering, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 127

Özet

Günümüzde insanlığın karşılaştığı en büyük sorunlardan biri, hızlı endüstriyelleşmenin ve şehirleşmenin sonucunda ortaya çıkan hava ve su kaynaklarının kirliliğidir. Bu tarz sorunların insan hayatını ve ekosistemi tehlike altına sokacak boyuta gelmemesi için bunların kontrollü bir şekilde izlenmesi ve bu sorunlara yönelik çözümler bulunması gerekmektedir. Bu ihtiyaçlar doğrultusunda, öncelikle havadaki kirletici ve zehirli gazların tespiti, değerlerinin kontrolü, hava kalitesinin insan hayatını tehdit etmeyecek seviyelere taşınması için gaz sensörlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu gazlar arasında her geçen gün daha fazla mazur kaldığımız NO2 gazı, esas olarak fosil yakıtların, motorlu araçların, ve endüstriyel tesislerin emisyonları sonucu atmosfere salınmaktadır ve tespit edilmesi büyük önem arz etmektedir. Diğer yandan da su kaynaklarının her geçen gün kirletilmesi ve bu atık suların ıslah edilip tekrar kullanbilir hale getirilmesi büyük önem teşkil etmektedir. Bu tezde, bu ihtiyaçlara yönelik olarak malzemelerin sunduğu çözümler araştırılmış ve yeni bir yaklaşımla geliştirilmiş malzemelerin potansiyeli incelenmiştir. Bu iki büyük sorunun çözüme oluşmasında en büyük rol oynayan malzeme grubu ise yarıiletken malzemelerdir. Bu malzeme grubuna ait olan çeşitli metal oksitlerin ve son 20 yılın en popüler malzemesi olan grafenin farklı bir üretim yöntemi ile geliştirilmiş halinin kompozitlerinin oluşturulması ile hem gaz sensörü hem de fotokataliz uygulamalarındaki kullanabilirliği araştırılmıştır. Bu amaçla öncelikle CO2 lazer kullanılarak, poliimid filmin karbonizasyonu gerçekleştirilmiş ve farklı lazer parametrelerinin taranması ile“lazer indüklenmiş grafen”(LIG) yapısı üretilmiştir. Oluşan yapının grafene benzer yanlarını doğrulayabilmek için öncelikle Raman spektroskopisinden yararlanılmıştır. Malzemenin poroz olmasının yanısıra üstün kimyasal, fiziksel ve elektronik özelliklere sahip olması birçok alanda kullanılabilir malzeme olarak ön plana çıkmasını sağlamıştır. Diğer grafen üretim yöntemlerine göre çok daha ucuz, kolay ve çevre dostu bir yöntem olması ise daha da popüler hale gelmesini sağlamaktadır. İstenilen morfoloji ve grafen özellikleri elde ediltikten sonra, bu malzemenin kompozitlerinin üretimine geçilmiştir. Kompozit malzeme oluşturulmasında iki amaç göz önünde bulundurulmuştur. Öncelikle iki farklı malzeme özelliğinin birleştirilerek ikisinin de eşsiz özelliklerinin malzeme kazandırılması beklenmektedir. Bu noktada olası durumlar, bu malzemelerin farklı yarıiletken özelliklerine sahip olması sonucunda birbirleri ile etkileşimi sonucu oluşturacakları hetero jonksiyon, diğer ise bu gözenekli üç boyutlu grafen esaslı malzemenin bir altlık/şablon olarak kullanılarak malzemenin yüzey alanının artırılmasıdır. Bu amaçlar doğrultusunda farklı üretim teknikleri denenmiştir. İlk olarak, LIG istenilen parametrede elde ediltikten sonra yüzeyinde bir yarıiletken olan ve gaz sensör uygulamalarında sıklıkla kullanılan SnO2 yapısı oluşturulmak istenmiştir. Malzemenin uygulama alanlarından her ikisi için de kritik olan kısım ise yüzey alanıdır. Bu noktada maksimum yüzey alanı öncelik olarak alınmıştır ve yüzey alanı zaten geniş olan LIG yüzeyinin üzerinde, geniş yüzey alanına sahip olduğu bilinen anodik Sn oksit tabakası büyütülmesi amaçlanmıştır. Öncelikle LIG yüzeyleri elektrolitik olarak Sn kaplanmıştır. Ardından bu yüzeyler farklı banyolarda farklı parametrelerde anodize edilmiştir. Bu işlemler sonucunda malzemeye çeşitli karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır ve yüzeyde Sn'nin SnO2 formuna getirildiği görülmüştür. Ardından gaz sensör ölçümleri alınmaya çalışılmıştır, fakat malzemenin poroz yapısı, yapısında kalan metalik Sn gibi çeşitli faktörlerden kaynaklandığı düşünülen durumlardan dolayı numuneden sensör kontakları alınamadığı için sensör ölçümleri gerçekleştirilememiştir. Bu noktada çalışmaya, başka üretimleri yöntemleri ile devam edilerek kompozit malzemelerin sentezlenmesi amaçlanmıştır. İlk olarak LIG üretimi gerçekletirildikten sonra, yüzeye sentezlenmek istenilen metal oksitlerin prekürsorleri ince bir tabaka halinde sürülüp, tekrardan lazer ile uyarılmıştır. Bu metod için sentezlenmek istenen metal oksitlerin, nitrat ve klorür tuzları öncelikle bir çözelti haline getirilmiştir ardından bir metal kompleksi oluşturabilmeleri açısından jel formuna dönüşmelerini sağlayan sitrik asit ilavesi yapılmıştır ve LIG yüzeylerine uygulanmıştır. Ardından yapısal karakterizasyonu yapılmıştır. Yapıda oksit fazların oluştuğu incelenmiştir. Ardından aynı yöntem ile bu kez tek adımda lazer ile uyararak malzeme sentezlenmeye çalışılmıştır. Hazırlanan prekürsor malzemeler bu kez direkt PI filmin üzerine uygulanmış ve hem metal oksit hem de LIG yapısı tek bir seferde başarıyla oluşturulmuştur. Numuneler SEM, XPS, XRD, Raman Spekstroskopisi gibi karakterizasyon teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Oluşan mikroyapılar ve fazların istenilen uygulamalar için uygun olduğu görüldükten sonra malzemelerin iki ayrı uygulamaya yönelik geometrilerde üretimine geçilmiştir. Sensör ölçümü için numune üzerinden sensör geometrisi ile kontak almak yerine, numune bir sensör geometrisi şeklinde üretilmiştir ve başarılı bir şekilde sensör kontakları alınmıştır. Fotodegredasyon uygulamaları içinse numuneler uzun şeritler halinde sentezlendikten sonra, PI filmin üzerinde oluşan LIG yapısı yüzeyden ayrılararak toz halinde kullanılmıştır. Gaz sensör ölçümleri için, gaz sensör ölçüm düzeneği kurulmuş ve LIG ve LIG/SnO2-δ numunelerinin NO2 gazına karşı gösterdiği direnç değişimleri oda sıcaklığında 10 ile 50 ppm gaz konsantrasyonu aralığında sistematik olarak incelenmiştir. Sensör numunelerinin SnO2 etkisi ile NO2'ye farklı tepkiler verdiği gözlemlenmiştir ve bu mekanizma araştırılmıştır. Ayrıca numunenin relatif nem, yüksek sıcaklık gibi ortamlarda gösterdiği davranışlar da incelenmiştir ve numunenin gaz sensörü olarak uygulanabilirliği araştırılmıştır. Bu üretilen malzemelerin özelliklerinden yola çıkılarak, fotokatalitik bir etki göstereceği düşünülmüştür ve buna yönelik çalışmalar yapılmıştır. Model kirletici olarak metilen mavisi kullanılarak, üretilen çeşitli kompozitler ile güneş ışığı yardımıyla fotokatalitik etki gözlemlenmeye çalışılmıştır. Bu amaç doğrultusunda sensör kompozisyonlarının yanısıra, LIG/ZnO ve LIG/TiO2-δ malzemeleri de sentezlenmiştir. Sentezlenen malzemelere yapısal karakterizasyonlar yapıldıktan sonra fotokatalitik performansları hem tek malzeme özelinde hem de bu malzemeleri eşit oranlarda karıştırarak incelenmiştir. Yapılan deneyler sonucunda bu malzemelerin hepsinin fotokatalik bir etkisinin olduğu ancak SnO2 ve TiO2 kompozitlerinin sinerjetik bir etki yaratarak daha yüksek verimlilik gösterdiği görülmüştür ve bu mekanizma araştırılmıştır. Bu çalışmanın sonucunda, LIG numuneleri istenilen özelliklerde farklı parametreler taranak üretilmiştir. LIG/metal oksit kompozitleri üretmek için farklı yöntemler denenmiş ve istenilen yapılır sentezlenmiştir. Daha önce denenmemiş bir yöntem olan lazer ile in situ olarak LIG/metal oksit kompozitlerinin üretimi başarılı ile gerçekleştirilmiş ve karakterizasyonu yapılmıştır. Üretilen malzemelerin hem gaz sensörü uygulamalarına hem de fotokataliz uygulamalarına yönelik kullanım alanları araştırılmıştır ve oda sıcaklığında çalışabilen NO2 gaz sensörleri geliştirilmiştir. Bu yöntem ile istenilen farklı kompozisyonlarda metal oksit bileşiklerinin, LIG ile kompozitlerinin üretilerek daha birçok alanda kullanılabileceği öngörülmektedir.

Özet (Çeviri)

Today, one of the biggest problems humanity faces is the pollution of air and water resources as a result of rapid industrialization and urbanization. To prevent such issues from reaching a level that endangers human life and the ecosystem, it is necessary to monitor these sources in a controlled manner and find solutions to these problems. In line with these needs, gas sensors are essential for detecting pollutants and toxic gases in the air, controlling their levels, and ensuring that air quality does not threaten human health. Among these gases, NO2, to which people are increasingly exposed, is primarily released into the atmosphere as a result of emissions from fossil fuels, motor vehicles, and industrial facilities, and its detection is of great importance. On the other hand, the increasing pollution of water resources and the rehabilitation of these waste waters for reuse are of great importance as well. Semiconductor materials are playing a significant role in detecting these two major sources of pollution. In this study, the combination of the semiconductor metal oxides and, graphene (the most popular material of the last 20 years), developed with a laser-scribing method, were investigated for both gas sensor and photocatalysis applications. To this purpose, first, carbonization of the polyimide film was performed using CO2 laser, and the“laser-induced graphene”(LIG) structure was produced by scanning different laser parameters including laser power and defocusing distance. Raman spectroscopy was initially used to confirm the graphene-like features of the resulting structure. In addition to being porous, the material's superior chemical, physical, and electronic properties have made it stand out as a usable material in many areas. This is a much cheaper, easier, and environmentally friendly method compared to other graphene production methods. After obtaining the desired morphology and graphene properties, the production of composites based on this material was achieved. Two objectives were considered in the development of the composite material. Firstly, it was expected that combining the unique properties of two different materials would enhance the overall characteristics of the composite. This includes the formation of a heterojunction resulting from the interaction between materials with different semiconductor properties, and the use of porous three-dimensional graphene-based material as a substrate/template to increase the material's surface area. Various production techniques were explored to achieve these goals. After fabricating the LIG with the desired properties, the goal was to deposit a SnO2 structure on the LIG surface. SnO2 is a semiconductor frequently used in gas sensor applications. A critical aspect of both applications is the surface area. To this end, maximizing the surface area was prioritized, and growth of an anodic tin oxide layer on the LIG surface was targeted. The LIG surfaces were electroplated with Sn. Subsequently, these surfaces were anodized in various baths under different parameters. Various characterization studies including XRD, Raman spectroscopy, SEM/EDS were carried out and verified the conversion of Sn to SnO2 structure. However, challenges arose due to the porous nature of the material and the presence of residual metallic Sn, which could interfere with sensor functionality. At this stage, the study aimed to explore alternative production methods in synthesizing composite materials. After fabricating the LIG surfaces, metal oxide precursor solutions were drop-cast onto these surfaces and then subjected to further laser irradiation. For this method, metal nitrate and chloride salts were dissolved, and citric acid was added to create gel-like metal complexes, which were then applied to the LIG surfaces. Oxide formation on surfaces was investigated with structural characterization methods. After that, the same metal oxide precursor was applied to the PI film and irradiated with the laser. With this one-step laser scribing method, both the metal oxide and LIG structures were successfully formed. The samples were characterized using SEM, XPS, SRD and Raman Spectroscopy. The microstructures and phases formed as a result of this latter process were suitable for the desired applications, and the materials were produced in two different geometries for two separate applications. Instead of taking contacts from the sample via sensor geometry for sensor measurements, the sample was produced in the shape of a sensor geometry, and sensor contacts were successfully taken. For photocatalytic degradation applications, on the other hand, the samples were synthesized in the form of long strips, and the LIG structure formed on the PI film was used in powder form by separating it from the surface. For gas sensor measurements, a gas sensor measurement setup was designed and the resistance changes of LIG and LIG/SnO2-δ samples against NO2 gas were systematically investigated in the range of 10 to 50 ppm gas concentration at room temperature. It was observed that the sensor samples gave different responses to NO2 with the effect of SnO2, and this mechanism was investigated. In addition, behaviors of the sample in different environments such as relative humidity, high temperature were also investigated, and the applicability of the sample as a gas sensor was investigated. Based on the properties of the materials produced, it was thought that they would exhibit a photocatalytic effect, and studies were conducted for this purpose. Methylene blues was used as a model pollutant, and various composites produced were attempted to be observed for photocatalytic effect with the help of sunlight. In this context, structural characterizations of the synthesized materials were performed, and their photocatalytic performances were investigated both individually for each material and by mixing these materials in equal proportions. As a result of the experiments, it was observed that all these materials had a photocatalytic effect, but SnO2 and TiO2 composites showed higher efficiency by creating a synergistic effect, and this mechanism was investigated. As a result of this study, LIG samples with desired properties were produced by adjusting different parameters. Different methods were explored to produce LIG/metal oxide composites, resulting in the successful synthesis of the targeted structures. A novel, in situ, low-cost and facile method has been developed to fabricate LIG/metal oxide composites. The usability of the materials in both gas sensor applications and photocatalysis applications was investigated. Notably room temperature NO2 gas sensors were developed. Overall, this study demonstrates the feasibility of utilizing LIG and its composites in gas-sensing applications at ambient temperatures and photocatalysis applications, underscoring their broad potential across diverse fields.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    843935

    Graphene based stretchable electronics

    Grafen tabanlı esnek elektronikler

    BERKCAN ZÜLFİKAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Fizik ve Fizik MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NİHAN AYDEMİR

  2. Tez No

    849627

    Grafen oksit katkılı polimer nanokompozitlerin çeşitliözelliklerinin incelenmesi

    Investigating various properties of graphene oxide doped polymer nanocomposites

    OĞUZKAN ŞENTÜRK

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM MEHMET PALABIYIK

  3. Tez No

    636717

    Laser induced graphene based flexible gas sensor for wearable electronics

    Giyilebilir elektronikler için lazer kaynaklı grafen bazlı esnek gaz sensörü

    MEHMET MERT BÜYÜKTURGAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Savunma ve Savunma Teknolojileriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK

  4. Tez No

    402043

    Tuning electron transport in metal films and graphene with organic monolayers

    Başlık çevirisi yok

    DERYA ATAÇ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    BiyomühendislikUniversity of Twente

    PROF. DR. W. G. VAN DER WIEL

  5. 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

Geri Dön