Metal katklılı ZnO esaslı nanofotokatalizörlerin geliştirilmesi ve uygulamaları

Abstract

Çeşitli endüstriyel uygulamalar sonucu açığa çıkan ve sulara bırakılan organik atıklar su kaynaklarını zehirleyerek çevre temizliğini tehdit etmektedir. Suların bu gibi organik atıklardan temizlenmesi için günümüzde birçok farklı yöntem uygulanmaktadır. Ancak bunların uygulanabilirliklerinin güç olması, uygulanan yöntemin çevreye ek bir kirlilik yaratabilmesi ya da ekonomik olmamaları sebebiyle daha üstün ve çevre dostu bir yönteme ihtiyaç duyulmaktadır. Bu faktörler değerlendirildiğinde heterojen fotokatalitik degradasyon oldukça uygun bir yöntemdir. Bir yarıiletken fotokatalizörün UV-A ışığı ile etkileşmesine dayanan bu yöntem ile ortamda bulunan organik kirleticiler mineralizasyona uğrayarak H2O, CO2 gibi küçük ve zararsız moleküllere parçalanabilmektedir. Zehirsiz, ucuz, kolay elde edilebilir ve kimyasal açıdan stabil olması gibi sebeplerle yarıiletken fotokatalizör olarak en sık kullanılan madde ZnO'dir. II –VI gurubu bileşik yarıiletkenlerinden biri olan ZnO; yüksek geçirgenliği, doğada bolbulunması gibi nedenlerle teknolojik öneme sahiptir. Bu malzemeye uygun katkılamalaryaparak yapısal, optiksel ve elektriksel özellikleri iyileştirilebilmektedir. Yüksek elektrikseliletkenliğe sahip olması diğer şeffaf iletken oksit malzemelere alternatiftir. Bu özelliğindendolayı son yıllarda tercih edilen bir malzemedir.Ayrıca çinko oksitin 3.37 eV'luk geniş bir bant aralığına sahip olası, onun uygunkısa dalga boylu optoeletronik uygulamalarda da kullanılmasını sağlamıştır. Bu tez çalışmasında nano ZnO ve farklı metaller (Ag, Fe, Mn ve Ni) katkılanmış ZnO fotokatalizörler hidrotermal yöntemle sentezlenmiştir. Sentezlenen fotokatalizörler XRD, FESEM, FTIR ve UV-Vis spektrofotometre ile karakterize edilmiştir. Katkılanan metallerin ZnO'in yasaklanmış bant aralığında önemli bir değişikliğe neden olmadığı görülmüştür. Sentezlenen katkısız ve metal katkılı ZnO fotokatalizörler kullanılarak tartrazinin fotokatalitik bozunması incelenmiştir. ZnO, Ag/ZnO, Fe/ZnO, Mn/ZnO ve Ni/ZnO fotokatalizörlerin tartarazin degradasyon verimleri srasıyla Ni/ZnO, Ag/ZnO, ZnO, Fe/ZnO ve Mn/ZnO olarak bulunmuştur. Ag ve Ni katkılamak ZnO'in fotokatalitik etkinliğini arttırırken, Fe ve Mn katkılamanın ZnO'in fotokatalitik etkinliğini azalttığı tesbit edilmiştir. Anahtar kelimeler: Çinko oksit, metal katkılama, fotokatalizör, fotokataliz, tartarazin

Organic pollutants which are released from various industrial processes, poison the water sources and threaten the environment. There are many different methods applied to rid the water streams from such organic waste. These methods are not sufficient in means of applicability, economical aspects or bringing an extra amount of pollution to the applied environment and therefore there is a need for a superior, enviromentally friendly technique. When all these factors are taken into account, heterogenous photocatalytic degradation is quite a suitable method. With this method, which is based on interaction between a semi-conductor and UV-A light, organic pollutants can be mineralized into small and non-toxic molecules such as H2O and CO2. ZnO is the most extensively used semi-conductor photocatalyst, because it is a nontoxic, inexpensive, easily attainable and chemically stable compound. ZnO, one of the II-VI compound semiconductors, has a significant technological importance due to its abundance in nature and high transparency. Its structural, optical and electrical properties can be improved by using appropriate doping materials. It is an alternative material to other transparent materials since it has a high electrical conductivity, a feature that makes it preffered for many applications.Zinc oxide also has a wide band gap of 3:37 eV likely led to its short wavelength suitable for use in applications optoeletronik. In this study, nanoscale ZnO and different metals (Ag, Fe, Mn and Ni) doped ZnO photocatalysts were synthesized according to hydrothermal method. The as-synthesized photocatalysts were characterized by XRD, FESEM, FTIR and UV-Vis spectrophotometry. It is observed that doping metals did not significantly impact on the forbidden band gap. The photocatalytic degradation of tartrazine was investigated by employing the as-synthesized undoped and metal doped ZnO photocatalysts. The tartrazine degradation efficiency of ZnO, Ag/ZnO, Fe/ZnO, Mn/ZnO and Ni/ZnO photocatalysts was found to be Ni/ZnO, Ag/ZnO, ZnO, Fe/ZnO ve Mn/ZnO respectively. It is demonstrated that Ag and Ni doping enhanced the photocatalytic activity of ZnO, while Fe and Mn doping impaired the photocatalytic activity of ZnO. Keywords: Zinc oxide, metal doping, photocatalyst, photocatalysis, tartrazine