Cu ve CuNi nanopartiküllerinin çözelti yanma senteziyle üretimi ve karakterizasyonu

Abstract

Nanomalzemelerden bazıları doğal olarak oluşurlar, ancak mühendislik ürünü olan nanomalzemeler de vardır. Mühendislik ürünü nanomalzemeler, nano boyutlu olmayan malzemelere kıyasla farklı özellikler göstermektedir. Nano ölçekteki malzemelerin farklı özelliklere sahip olmasının iki ana nedeni vardır. Bunlar; artan yüzey alanı ve yeni kuantum etkileridir. Nanomalzemeler, geleneksel formlarından çok daha büyük bir yüzey-alan-hacim oranına sahiptir, bu da daha fazla kimyasal reaktiviteye yol açabilir ve mukavemetlerini etkileyebilir. Ayrıca nano ölçekte, kuantum etkileri, malzemenin özelliklerini belirlemede çok daha önemli hale gelebilir ve yeni optik, elektriksel ve manyetik davranışlara yol açabilir. Mühendislik ürünü nanomalzemeler birçok ticari ürün ve işlem için kullanılmaktadırlar. Güneş kremleri, kozmetikler, spor malzemeleri, leke tutmaz giysiler, lastikler, elektronik ürünler ve diğer birçok günlük üründe bulunabilirler ve tıpta teşhis, görüntüleme ve ilaç dağıtımı için kullanılırlar. Nanomalzeme üretim yöntemleri genel olarak iki yaklaşıma ayrılabilir. Bunlardan ilki yukarıdan aşağıya yöntemlerle üretilen nanomalzemelerdir. Diğer yaklaşım ise aşağıdan yukarıya yaklaşım olarak adlandırılmaktadır. Yukarıdan aşağıya yöntemlerde, nanomalzemeler göreceli olarak büyük boyutlu bir substrattan istenen nano boyut elde edilene kadar malzemeyi aşındırma yoluyla küçülterek elde edilmektedir. Aşağıdan yukarıya yöntemler ise tam tersidir, nanomalzeme atomik veya moleküler seviyeden başlayıp, istenilen yapı oluşana kadar kademeli olarak bir araya getirilerek elde edilmektedir. Bu yaklaşım kendi içinde birçok üretim yöntemini barındırmaktadır. Aşağıdan-yukarıya yaklaşımına bir örnek çözelti yanma sentezi ile nano toz elde etme yöntemidir. Bu çalışmada da çözelti yanma sentezi yöntemi uygulanmıştır. Çözelti yanma sentezi; katalizörler, katı yakıt hücreleri ve elektronik gibi çok sayıda uygulama için kontrollü özelliklere sahip oksit malzemelerin hazırlanmasında dünya çapında çok popüler hale gelen hızlı, basit, verimli ve çok yönlü bir yöntemdir. Çoğu ikili, üçlü ve hatta daha karmaşık oksitler çözelti yanma sentezi ile elde edilmiştir. Bununla birlikte, oksitler dışındaki nanomalzemelerin sentezlenmesiyle ilgili çalışmalar nispeten azdır. Çözelti yanma sentezindeki yakıtlar indirgeyici ajanlar olarak hareket etmektedir. Bu nedenle, çözelti yanma sentezinde artık yakıtın üretilen metal oksitleri indirgeyerek metali ortaya çıkarması mümkün görünmektedir. Bu çalışmada bakır ve bakır-nikel nano tozlarının çözelti yanma sentezi yöntemi ile üretimlerinin araştırılması ve basit, hızlı ve efektif bir proses önerisi sunulması amaçlanmaktadır. Bunun için Cu(NO3)2.3H2O ve Ni(NO3)2.6H2O başlangıç malzemeleri olarak seçilmiştir. Bakır üretim süreci için yakıt olarak maleik asit, oksalik asit ve üre seçilmiştir. Bakır üretim prosesi için yakıt/oksitleyici oranı 2 olarak seçilmiş ve farklı yakıtlar kullanılarak yakıt etkisinin araştırılması amaçlanmıştır. Bakır üretim prosesinde, ilk denemeden sonra üre yakıt olarak seçilmiş ve daha iyi bir yanma süreci için yakıt/oksitleyici oranı 2,5 olarak ayarlanmıştır. Bakır-nikel üretim prosesi için yakıt olarak üre kullanılmış ve reaksiyon için yakıt/oksitleyici oranı 2 olarak seçilmiştir. Bimetalik nanopartikül üretimi amacıyla, farklı mol oranları uygulanmış ve mol oranlarının çözelti yanma sentezi üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Hem bakır hem de bakır-nikel nanotoz üretimi için fırında toplam işlem süresi her biri için 50 dakika olumuştur. Fırın sıcaklığı önceden 350 ⁰C'ye ısıtılmış ve reaksiyonların başlangıcına kadar bu değerde tutulmuştur. Reaksiyonlar başladığında, yanma reaksiyonlarının doğası gereği hem bakır hem de bakır-nikel sentezinde, ani bir gaz çıkışı meydana gelmektedir. Çözeltiler, yakıtlarla karıştırılıp, 250 ml'lik beher ocağa konulmadan önce 30 dakika manyetik karıştırıcı ile karıştırılmıştır. Bu karıştırma adımı, her iki işlem için homojen karışımlar elde etmek için hem bakır tozu üretimi hem de bakır-nikel bimetalik toz üretimi için uygulanmıştır. Yanma reaksiyonundan elde edilen tozlar, hem bakır hem de bakır-nikel üretim yolu için öğütme işlemine tabi tutulmuştur. Çözelti yanma sentezi sonucu elde edilen tozlar, yanma reaksiyonu sırasında ve sonrasında hangi fazların oluştuğunu görmek için X-ışını difraksiyonu (XRD) analizine tabi tutulmuştur. XRD sonuçları incelendikten sonra tozlardan bazıları seçilmiş ve bu tozlara SEM ve BET analizleri uygulanmıştır. Sonuçlar, hem bakır tozu üretimi hem de bakır-nikel bimetalik toz üretimi için nanotozların elde edildiğini göstermektedir. Çalışma sonucunda bakır nanotozu saf halde elde edilememiş olup, bunun yerine nanotozda Cu/Cu₂O fazları bir arada görülmüştür. Bakır-nikel nanotoz üretimi durumunda, ana faz olarak CuNi fazı elde edilmiştir. SEM analizleri sonucunda Cu/Cu₂O sentezi sonucu 147,3 nm ve 62,52 nm boyutlarında taneler görülmüştür. CuNi sentezi sonucu ise 105 nm ve 38,22 nm boyutlarında taneler görülmüştür. BET analizi sonuçları Cu/Cu₂O sentezi sonucunda 2,7702 m2/g ve CuNi sentezi sonucunda 1,3643 m2/g olarak ölçülmüştür. Tozların nispeten düşük BET değeri, yüksek sıcaklıkta yanma işlemlerinin sinterleme etkisinden kaynaklanmaktadır.