Hydrothermal synthesis of TiO2 nanostructures for photocatalytic and photovoltaic applications

---

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2017

Tezin Dili: İngilizce

Öğrenci: NURSEV ERDOĞAN

Danışman: ABDULLAH ÖZTÜRK

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

Özet:

Farklı kristal yapılarına ve çeşitli morfolojilerdeki titanyum dioksit (TiO2) nanoyapılar fotokatalitik ve fotovoltaik uygulamalarda kullanılmak üzere hidrotermal yöntemle sentezlendi. Araştırmalar üç farklı sistematik deneysel çalışma serisi oluşturularak yapıldı. İlk deney serisi TiO2 nanoyapıların kuvvetli sodyum hidroksit (NaOH) katalizörle sentezlenmesi esasına dayanmaktadır. Deneyler sırasında sıcaklık ve NaOH molaritesi sabit tutulurken hidrotermal reaksiyon süresi ve başlangıç prekürsör malzemeleri değiştirildi. Elde edilen nanoyapılar Na-titanat kristal yapısındaydılar. Bu yapılar protone edilerek H-titanat haline getirildikten sonra kalsine edilerek TiO2 tozuna dönüştürüldü. Sentezlenen ürünler X-ışınları kırınımı (XRD), yüksek çözünürlüklü taramalı elektron mikroskobu (FESEM), yüksek çözünürlüklü geçirimli elektron mikroskobu (HRTEM), Diferensiyal Termal Analiz (DTA) and Termogravimetrik Analiz (TGA) teknikleriyle karakterize edildi. Nanoyapıların fotokatalitik özellikleri sulu çözeltideki metilen mavisinin parçalanma testi ile UV-Vis spektrofotometre kullanılarak belirlendi. En iyi fotokatalitik aktivite amorf başlangıç tozu kullanılarak elde edilen ürünlerde görüldü. Farklı morfolojideki iki toz karıştırılarak boya duyarlı güneş gözesi (DSSC) üretiminde denendi. İkinci deney serisi nitrik asit (HNO3) katalizör kullanılarak tek adımda TiO2 üretimi için yapıldı. Farklı morfoloji ve kristal yapıda tozları elde etmek amacıyla çeşitli hidrotermal sentez sıcaklıkları, süreleri, ve asit konsantrasyonları uygulandı. Sentezlenen tozlar FESEM, HRTEM ve XRD analiz teknikleri kullanılarak karakterize edildi. Elde edilen TiO2 nanoyapılar için bir oluşum mekanizması önerildi. Morfolojileri ve kristal yapıları farklı olan dört toz DSSC üretiminde kullanılmak üzere seçildi. Üçüncü deney serisi HNO3 katalizörü kullanılarak hidrotermal yöntemle sentezlenen tozlara demir (Fe) ve/veya molibden (Mo) katkılanması suretiyle fotokatalitik aktivitelerinin arttırılması için tasarlandı. Fe ve Mo'nun birlikte katkılaması sırasında azot'un (N) yapıya üçüncü bir katkı olarak girdiği fark edildi. Tek, birlikte ve üçlü katkılanmış tozlar FESEM, XRD, HRTEM, X-ışınları spektrofotometresi (XPS), indüktif olarak eşleştirilmiş plazma kütle spektrometresi (ICP), ve Brauner Emmett Teller (BET) yüzey alanı analizleriyle karakterize edildi. Katkılama anataz yerine rutil kristal yapının oluşmasına neden oldu. Sonuçlar rutil yapıdaki tozların fotoaktivitesinin üçlü katkılama ile arttırıldığını ortaya koydu. Seçilen tozlar DSSC'nin fotoanot bileşeni olarak macun hazırlanmasında kullanıldı. Fotoanotlar UV-Vis spektrofotometre, yüzey profilometresi, FESEM, XRD ve elektrokimyasal empedans spektrometre (EIS) analizleriyle karakterize edildi. Fotovoltaik ölçümleri tek katmanlı elektrotlar arasında en yüksek verimin (% 2,86) anataz ve az rutil karışımı fotoanotla sağlandığını gösterdi. Titanyum klorür (TiCl4) işlemiyle verim % 4,86'e yükseldi. Çift katmanlı fotoanotlar arasında en yüksek verim anataz ve rutil karışımı alt katman üzerine farklı oranda anataz rutil karışımı üst katman uygulanmasıyla % 4,26 olarak ölçüldü.