Çözelti yanma senteziyle fotokatalitik özelliklere sahip nanokompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Artan insan nüfusu ve sanayileşmenin hızlanması ile küresel ısınmaya bağlı olarak temiz su kaynaklarının azalması, günümüzün önemli çevresel sorunlarından birisidir. Bu durum, özellikle endüstriyel atık suların etkili bir şekilde temizlenmesini zorunlu hale getirmektedir. Atık sularda bulunan organik boyalar ve antibiyotik atıklar, içinde yaşadığımız ekosisteme ve insanlığa zarar vermektedir. Bu kirleticilerin giderilmesi için çevre dostu ve düşük maliyetli yöntemlere ihtiyaç duyulmaktadır. Atık sulardan bu kirliliklerin giderilmesi için, fotokatalitik yöntemler öne çıkmaktadır. Fotokatalitik işlemlerde en yaygın kullanılan malzemelerden biri olan TiO2, yüksek bant aralığı nedeniyle yalnızca UV ışığı ile uyarılarak, aktif hale gelmektedir. UV ışınları, güneşten yeryüzüne ulaşan elektromanyetik spektrumun yalnızca ~5'ini kapsamaktadır. Güneş ışığından daha etkili bir biçimde faydalanabilmek için TiO2 yapısında çeşitli değişiklikler yapılarak bant aralığı değeri düşürülebilmektedir. Bu değişikliklerden bir tanesi de kompozit üretmektir. Bu tez kapsamında çözelti yanma sentezi yöntemiyle TiO2/WO3 nanokompozitleri üretilmiştir. Çözelti yanma sentezi, hammaddelerin birbirleriyle ekzotermik reaksiyon veren ve açığa çıkan ısı enerjisini ürünlerin oluşumu için harcayan, hızlı ve düşük maliyetli bir üretim yöntemidir. Çeşitli oranlarda (ağ. % 1, 3, 5, 10, 15 ve 50) WO3 içeren TiO2/WO3 nanokompozitleri, çözelti yanma sentezi ile üretildikten sonra kristalizasyon işlemine tabi tutulmuştur. Çözelti yanma sentezi hızlı ve ekzotermik bir üretim yöntemi olduğundan dolayı, ürünler amorf yapıda olabilmekte veya içerisinde organik safsızlıklar kalabilmektedir. Kalıntıların giderilip, kristal yapının daha düzenli hale gelebilmesi için 600 ve 700 °C sıcaklıkta, 2 ve 4 saat boyunca kristalizasyon işlemleri uygulanmıştır. Çözelti yanma sentezi yöntemiyle üretilen ve kristalizasyon işlemi uygulanan ürünlere; kimyasal bileşimlerini belirlemek için X-ışını floresans (XRF), faz analizi yapmak için X-ışını kırınımı (XRD) yöntemleri uygulanmıştır. Üretilen tozların morfolojik yapıları ve elementel dağılımını belirlemek için, taramalı elektron mikroskobunda (SEM) ve enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisinde (EDS) incelemeler yapılmıştır. Yapıda herhangi bir organik kalıntı yapının bulunup bulunmadığının belirlenmesi amacıyla Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR) kullanılarak analizler yapılmıştır. Detaylı kristal yapı analizi ve nano boyuttaki incelemeler için geçirimli elektron mikroskopu (TEM) kullanılmıştır. Fotokatalitik testlerde boya seçimi için üretilen tozların yük özellikleri zeta potansiyeli ölçümleriyle sağlanmıştır. Fotokatalitik performans testlerinde farklı yük karakterlerine sahip organik boyalar; sunset yellow, rhodamine b, malachite green ve crystal violet kullanılmıştır. Yapılan testler sonucunda malachite green ve crystal violet boyalarını etkili şekilde giderebildiği, ancak sunset yellow ve rhodamine b boyalarında yüksek parçalama verimlerine ulaşılamadığı belirlenmiştir. En yüksek malachite green parçalanma verimi %1 WO3 katkılı numunenin 4 saat 700 °C'de kalsine edilmiş halinde %94,89 olarak ölçülmüştür. En yüksek crystal violet parçalanma verimi ise %5 WO3 katkılı numunenin 2 saat 600 °C'de kalsine edilmiş halinde %63,72 olarak ölçülmüştür. Malachite green boyası, %3 WO3 katkılı numunenin 2 saat 600 °C'de kristalizasyon işlemi uygulanmış hali kullanılarak radikal tutucular ile deneyler yapılmıştır ve parçalanma verimi %82,84'ten; çözeltide benzokinon varlığında %19,05'e, izopropil alkol varlığında %12,01'e, disodyum etilendiamintetraasetat varlığında ise %42,95'e düşmüştür. Crystal violet boyası, %5 WO3 katkılı numunenin 4 saat 700 °C'de kristalizasyon işlemi uygulanmış hali kullanılarak radikal tutucular ile deneyler yapılmıştır ve parçalanma verimi %93,93'ten; çözeltide benzokinon varlığında %65,87'ye, izopropil alkol varlığında %59,26'ya, disodyum etilendiamintetraasetat varlığında ise %86,33'e düşmüştür. Boya parçalanması verimlerindeki bu düşüşler, her iki boyanın da fotokatalitik yöntemle parçalanmasındaki aktif radikallerin •OH ve •O₂⁻ olduğunu ancak boşluğun da (h⁺) ikincil görev yaptığı belirlenmiştir. Nanokompozitlerdeki WO3 miktarının ve kristalizasyon işlemi şartlarının boya parçalanması verimi üzerinde etkili olduğu belirlenmiştir. Malachite green ve crystal violet boyalarının parçalanma kinetik incelemeleri yapılmış ve fotokatalitik işlemin Pseudo-first-order kinetik modele uyduğu belirlenmiştir. Yapılan kinetik incelemeler sonucunda; malachite green parçalanmasında en yüksek kinetik sabit %1 WO3 katkılı numunenin 4 saat 700 °C'de kristalizasyon işlemi uygulanmış halinde 0,02418 dk-1 olarak, crystal violet parçalanmasında en yüksek kinetik sabit %5 WO3 numunesinin 2 saat 600 °C'de kristalizasyon işlemi uygulanmış halinde 0,02621 dk-1 olarak hesaplanmıştır. Bu tez çalışması, çözelti yanma sentezi yöntemiyle üretilen TiO2/WO3 nanokompozitlerinin organik boya içeren atık suların arıtımında etkili fotokatalizörler olarak kullanılabileceğini ortaya koymakta ve görünür güneş ışığından faydalanarak çevre dostu su arıtma teknolojilerin geliştirilmesine katkı sağlamaktadır.