Suyun katalitik yükseltgenmesi için demir oksit-mangan oksit nanokompozitlerinin hazırlanması ve karakterizasyonu
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya A.B.D., Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2015
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: GÖKHAN ELMACI
Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): BİRGÜL KARAN
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Fosil yakıtlara alternatif olarak sera etkisi oluşturmayan moleküler hidrojenin sudan elde edilmesinde ilk adım suyun yükseltgenmesidir. Suyun ayrışmasında hız belirleyen basamak suyun yükseltgenmesi tepkimesi olduğundan araştırmalar bu konu üzerinde yoğunlaşmıştır ve bu amaçla çeşitli katalizörler geliştirilmektedir. Ucuz ve çevre dostu olması ve doğal fotosentez' deki aktif Mn4O5Ca kümesinde bulunması nedeniyle Mn bileşiklerine olan ilgi artmıştır. Bu nedenle homojen katalizör olarak birçok mangan kompleksi sentezlenmiştir ancak bu Mn kompleksleri çok düşük hızlarda ve düşük katalitik çevrim sayılarında etkinlik göstermişlerdir. Buna karşın doğada bol miktarda bulunan ve sentetik olarak ta kolay elde edilebilen MnOx formları suyun ayrışmasında umut vaat eden katalizörler olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmada kriptomelan (bir boyutlu), birnesit (iki boyutlu) ve hausmanit (üç boyutlu) tipi MnOx formları demir oksit nanoparçacıkları üzerinde bir kabuk şeklinde in situ büyütüldü. Hazırlanan nanokompozitler kimyasal/fiziksel yöntemlerle (kimyasal analiz, toz X-ışını kırınımı, titreşim spektroskopisi, ısısal analiz, morfolojik analiz, yüzey özellikleri, manyetik ölçümler) karakterize edildi. Ortalama 100-120nm büyüklüğündeki nanokompozit taneciklerinin çekirdek-kabuk yapısında oldukları ve kabukların mangan oksitlerin karakteristik özelliklerini (1D kriptomelan: çubuklu; 2D birnesit: tabakalı ve 3D hausmanit: kübik) taşıdığı görüldü. Hazırlanan nanokompozitlerin suyun yükseltgenmesindeki katalitik etkileri kimyasal test ajanı (NH4)2Ce(NO3)6 kullanılarak incelendi ve açığa çıkan oksijen Clark oksijen elektrodu sistemi kullanılarak ölçüldü. Kriptomelan ve hausmanit ile hazırlanan manyetik kompozitler, birnesit ile hazırlanan kompozitlere kıyasla düşük bir katalitik aktivite gösterdi. Katalitik aktiviteyi belirleyen en önemli faktörün kabuktaki MnOx yapısı olduğu anlaşıldı. Katalitik çalışmalar birnesit ve kompozitleri üzerine yoğunlaştırıldı. 2D birnesit@FeOx kompozitlerinin aynı şartlarda katalitik aktiviteleri GC (gaz kromotografisi) sistemi kullanılarak daha detaylı olarak incelendi. K-birnesit, Ca-birnesit ve bunlardan hazırlanan kompozitlerle yapılan katalitik çalışmalarda, çekirdek-kabuk yapısındaki kompozitlerin MnOx bileşenlerinden daha aktif olduğu görüldü, çekirdek ve kabuğun sinerjik bir etkisi olduğu anlaşıldı. Gözlenen yüksek aktiviteye etkisi olduğu düşünülen; yüzey alanı, tabakalar arasındaki katyon türü (K+/Ca2+), yüzey morfolojisi, kompozitteki su miktarı ve çekirdeğin türü gibi faktörler incelendi. Bu faktörlerin sentez koşulları optimizasyonu ile kontrol edilebileceği tespit edildi. Birnesitin mangan ferrit ve magnetit çekirdekleriyle hazırlanan kompozitleri, özellikle organik asitlerle sentezlenen Ca-birnesit@mangan ferrit örnekleri, suyun yükseltgenmesinde en yüksek aktiviteyi gösterdi. Bu katalizörler ile Mn başına açığa çıkan O2 miktarına göre elde edilen sonuçlar; literatürde bilinen MnOx katalizörleriyle elde edilen sonuçlarla kıyaslandığında en yüksek değer olarak literatüre sunulmaktadır