Ultrafast laser synthesis of nanoporous zeolite a
Nano-gözenekli zeolit a'nin ultrahizli lazer ile sentezi
- Tez No: 979110
- Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. SEYMUR JAHANGIROV, DR. SEZİN GALİOĞLU ÖZALTUĞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Bilim ve Teknoloji, Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Silika zeolit, Silica zeolite
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Zeolitler, mikro gözenekli, kendiliğinden birleşen alüminosilikat nanokristallerdir. Zeolit A, alümina ve silika tetrahedrallerden oluşan kübik birim hücreye ve Na^+, K^+, Ca^2+ gibi ekstra-çerçeve katyonlarına sahip ilk ticari olarak sentezlenen zeolittir. Zeolit A, yüksek gözeneklilik, yüksek yüzey alanı (~ 600 m^2/g), yüksek kimyasal ve termal kararlılık ve yüksek iyon değişim kapasitesi gibi özellikleri nedeniyle literatürde yaygın olarak incelenen bir zeolittir. Tüm bu özellikler, Zeolit A'nın CO_2 adsorpsiyonu, atık su arıtımı, biyosensör uygulamaları vb. gibi çeşitli endüstriyel uygulamalarda kullanılmasını sağlar. Zeolitlerin endüstriyel kullanım alanları geniş olsa da, akademi dünyasında da kapsamlı araştırmalar yapılmaktadır. Bu doğrultuda, çeşitli zeolit sentez yöntemleri geliştirilmiş olsa da, hepsinin kendine özgü sınırlamaları bulunmaktadır. Geleneksel hidrotermal sentez, yüksek kaliteli ayrı kristaller, kullanım kolaylığı, güvenlik ve endüstriyel ölçeklenebilirlik gibi avantajlar sunsa da, çekirdeklenme ve büyüme üzerinde hassas bir kontrolden yoksundur. Bu avantajları, düşük enerjili fotonlar kullanarak kısa bir reaksiyon süresi içinde kusursuz kristaller üretme yeteneğiyle birleştiren bir yöntem henüz geliştirilmemiştir. Bu sorunu ele almak için, ultra hızlı lazer enerji biriktirme yöntemi kullanarak zeolitleri (TPA-silikalit-1, zeolit Y, zeolit A ve hiyerarşik ZSM-5) sentezlemek için yeni bir yöntem sunuyoruz. Bu yaklaşımda, enerji, kristal oluşumunu sağlayan polimerizasyon reaksiyonlarına benzer bir zaman ölçeğinde (femtosaniye-pikosaniye) biriktirilir. Bu tez çalışmasında, nano gözenekli zeolit A'nın sentez mekanizması ve kristal yapısı üzerinde ultra hızlı lazer darbelerinin etkilerini araştırdık. 1040 nm dalga boyunda bir femtosaniye lazer kullanarak, öncül süspansiyonda kontrollü enerji birikimi elde ettik, tekdüzeye yakın boyutlu zeolit A kristalleri için (~260 nm) çoklu foton emilimi ve lazerle indüklenen akışlar yoluyla reaksiyonu hızlandırdık. Kontrollü enerji birikimi sayesinde, bu yöntem, geleneksel hidrotermal yöntemle sentezlenen kristallere kıyasla yüksek kristal yapıya (%90-100) ve daha dar bir parçacık boyutu dağılımına sahip Zeolit A'nın hızlı kristalleşmesini sağlar. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağıtıcı X-Işını Spektroskopisi (EDXS), X-Işını Kırınımı (XRD), Yüksek Çözünürlüklü Geçirgen Elektron Mikroskobu (HR-TEM), Seçilmiş Alan Elektron Kırınımı (SAED), Termo-gravimetrik Analiz (TGA), Brauener-Emmet-Teller (BET) ve Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) Spektroskopisi dahil olmak üzere kapsamlı karakterizasyonlar, lazerle sentezlenen zeolitlerin geleneksel olarak sentezlenen muadilleriyle karşılaştırılabilir yapısal bütünlük ve kaliteye sahip olduğunu ortaya koydu. Ayrıca, ultra hızlı lazer sentez yöntemiyle sentezlenen Zeolit A'nın gaz yakalama performansını ve pratik uygulanabilirliğini değerlendirmek için CO_2 adsorpsiyon kapasitesi analizi gerçekleştirilmiştir. Ultra hızlı lazer sentez yöntemi, çeşitli karakterizasyonlara olanak sağlamak için 80'den fazla kez başarıyla tekrarlanmıştır. Bu yeni teknik, yapısal ve işlevsel özellikler üzerinde hassas kontrol sağlayan zeolitlerin sentezlenmesine hızlı ve alternatif bir yaklaşım sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Zeolites are microporous aluminosilicate self-assembled nanocrystals. Zeolite A is the first commercially synthesized zeolite, which has cubic unit cell that consist of alumina and silica tetrahedra together with the extra-framework cations like Na^+, K^+, Ca^2+. Zeolite A has been widely studied zeolite in the literature owing to the properties like high porosity, high surface area (~600 m^2/g), and high chemical and thermal stability, and high ion exchange capacity. All of these properties make Zeolite A used in various industrial applications like CO_2 adsorption, wastewater treatments, biosensor applications, etc. Although zeolites have a wide range of industrial uses, they have still been extensively investigated in academia as well. Accordingly, various zeolite synthesis methods have been developed, but all have limitations. While conventional hydrothermal synthesis offers benefits such as high-quality discrete crystals, ease of use, safety, and industrial scalability, it lacks precise control over nucleation and growth. A method that combines these advantages with the ability to produce defect-free crystals using low-energy photons within a short reaction time has not been developed yet. To address this, we introduce a new method for synthesizing zeolites (TPA-silicalite-1, zeolite Y, zeolite A, and hierarchical ZSM-5) using ultrafast laser energy deposition. In this approach, energy is deposited on a timescale comparable to the polymerization reactions that drive crystal formation. In this thesis study, we further investigate the ultrafast laser pulses on the synthesis mechanism and crystalline structure of nanoporous zeolite A. Utilizing a femtosecond laser at 1040 nm wavelength, we achieved controlled energy deposition in the precursor suspension, accelerating the reaction via multiphoton absorption and laser-induced flows for nearly uniform-sized zeolite A crystals (~260 nm). Through the controlled deposition of energy, this method achieves rapid crystallization of Zeolite A with high crystallinity (90-100 %) and a narrower particle size distribution compared to the crystals synthesized via the conventional hydrothermal method. Comprehensive characterizations, including Scanning Electron Microscopy (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDXS), X-Ray Diffraction (XRD), High Resolution Transmission Electron Microscopy (HR-TEM), Selected Area Electron Diffraction (SAED), Thermo-gravimetric Analysis (TGA), Brauener-Emmet-Teller (BET), and Fourier Transformed Infrared (FTIR) Spectroscopy, revealed that the laser-synthesized zeolites exhibit structural integrity and quality comparable to conventionally synthesized counterparts. Moreover, CO_2 adsorption capacity analysis was carried out to evaluate the gas capture performance and practical applicability of Zeolite A synthesized via the ultrafast laser synthesis method. The ultrafast laser synthesis method was successfully repeated over 80 times to enable various characterizations. This novel technique offers a rapid and alternative approach to synthesizing zeolites with precise control over structural and functional properties.
Benzer Tezler
- Moleküler nanoyapılara ait elektrodinamik özelliklerin ultrahızlı-bükümlü lazer ışınları ile kontrolü
Manipulation of the electrodynamic properties of the molecular nanostructures by ultrafast twisted laser beams
MEHMET ÖNCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Fizik ve Fizik MühendisliğiBitlis Eren ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KORAY KÖKSAL
- Scalable synthesis and energy applications of defect engineered nano materials
Başlık çevirisi yok
MEHMET KARAKAYA
- Self-assembled peptide nanostructures as a versatile tool for fabrication of nanostructured materials
Kendiliğinden düzenlenen peptit nanoyapıların nanomalzeme üretiminde çok yönlü kullanılması
RUSLAN GARİFULLİN
Doktora
İngilizce
2015
Kimyaİhsan Doğramacı Bilkent ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZGÜR GÜLER
- Computational design and analysis of nanostructured materials for neuromorphic engineering
Neuromorfik mühendislik için nano yapılı malzemelerin hesaplamalı tasarımı ve analizi
AYKUT TURFANDA
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ ÜNLÜ
- Synthesis of multi miktoarm star block copolymer through double Click reactions
Çok ve farklı kollu yıldız blok kopolimerlerin çift Click reaksiyonları ile sentezi
VOLKAN KIRMIZI
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜRKAN HIZAL