Synthesis of chitosan and titanium dioxide based plasmonic catalysts for the catalytic reduction of phenolic compounds
Tezin Türü: Yüksek Lisans
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Mühendisliği A.B.D., Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2017
Tezin Dili: İngilizce
Öğrenci: GÖKÇE ERDEM
Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): HÜLYA YAVUZ ERSAN
Özet:Bu tez kapsamında, atık sularda sıklıkla rastlanan toksik fenolik bileşiklerden 4-Nitrofenolün sulu ortamda katalitik indirgenme yoluyla giderimi için uygun 2 yeni heterojen plazmonik katalizör sisteminin geliştirilmesi ve bu sistemlerin katalitik performansının belirlenmesi amaçlanmıştır. Heterojen katalizörlerin üretiminin, plazmonik altın nanopartiküllerin (AuNP), son yıllarda önem kazanmış ve gelecek vaadeden kitosan ve titanyum dioksit destek maddelerine immobilizasyonu ile gerçekleştirilmesi hedeflenmiştir. Katalizörlerin katalitik aktiviteleri 4-Nitrofenolün indirgeme ajanı olan NaBH4 varlığında indirgenmesi sırasında değerlendirilmiştir. Bu deneylerde, destek madde-metal nanopartikül etkileşiminin, AuNP boyutunun, AuNP yükleme miktarının, katalizör miktarının ve başlangıç 4-Nitrofenol başlangıç konsantrasyonun katalitik aktiviteye etkisi kesikli sistemde belirlenmiştir. Bu amaç doğrultusunda ilk olarak katalizör destek maddeleri üretilmiştir. Mikrojel formundaki kitosan tanecikler, kitosan çözeltisinin kimyasal modifikasyonuyla meydana gelmiştir. Glutaraldehitin çapraz bağlayıcı olarak kullanıldığı çapraz bağlama işleminin sonucunda 3 mm çapında, eş boyutlu, 1.3 m2/g yüzey alanına sahip kitosan tanecikler elde edilmiştir. Diğer bir katalizör destek maddesi olan TiO2 küreler ise tek aşamalı sol-jel yöntemiyle üretilmiştir. Küreler, titanyum isopropoksit prekürsörünün, methanol ve asetonitrilden oluşan çözücü ortamında hidrolizi ile elde edilmiştir. İşlem sonucunda, 0.7-1.2 m boyut aralığında, 277.4 m2/g yüzey alanına sahip küreler sentezlenmiştir. Küreler, yapısına altın nanopartiküllerin bağlanabilmesi için Aminopropiltrietoksisilan (APTES) ile muamele edilmiş ve yapısına fonksiyonel amin grubu eklenmiştir. Katalizör destek maddeleri, Turkevich ve Martin metotlarıyla sentezlenen, sırasıyla 12 ve 3 nm boyutlarına sahip altın nanopartiküllerinin çözeltilerine ayrı ayrı eklenmiş ve bu nanopartiküllerle dekore edilmişlerdir. Altın nanopartiküllerle dekore edilmiş ve edilmemiş kitosan mikrojel tanecikler ve TiO2 küreler taramalı elektron mikroskobu, geçirimli elektron mikroskobu, X-ışını kırınım spektrofotometresi, EDX ve azot adsorpsiyon-desorpsiyon yöntemiyle yüzey alanı analizi ile karakterize edilmişlerdir. Heterojen katalizörler 4-Nitrofenolün katalitik indirgenmesi işleminde kullanılmışlardır. Küçük altın nanopartikülllerin elektron transfer karakteristiklerinden dolayı, Martin AuNP ile dekore edilmiş kitosan mikrojel taneciklerin ve TiO2 kürelerin Turkevich AuNP ler ile dekore edilenlerle kıyaslandığında plazmonik katalitik aktivitede önemli bir gelişime yol açtığı gözlenmiştir. 2.5 % (w/w %) Martin AuNp yükleme miktarına sahip 10 mg Au/Kitosan katalizörün, 7.5 ppm başlangıç konsantrasyonuna sahip 4-Nitrofenolü 12 dakika sonununda tamamen indirgediği gözlenmiştir. %2 Martin AuNp yükleme miktarına sahip 12.5 mg Au/TiO2 katalizörün ise 7.5 ppm başlangıç konsantrasyonuna sahip 4-Nitrofenolü 60 saniye sonunda tamamen indirgediği gözlenmiştir. Katalizörlerin geri kazanımının ve aynı reaksiyon şartlarında tekrar kullanılmasının mümkün olduğu gözlenmiştir. Literatürde önerilen benzer maddelerin farklı formlarını veya farklı maddelerin benzer formlarını içeren heterojen katalizörlerin kullanıldığı giderilme yöntemleriyle karşılaştırıldığında, 4-Nitrofenol bertarafının, üretilen Au/Kitosan ve Au/TiO2 katalizörlerin varlığında yürütülen katalitik indirgeme yöntemiyle daha hızlı ve daha yüksek verimle gerçekleştiği belirlenmiştir. Bu çalışmayla, ilk kez, basit üretim yöntemleriyle ve kısa zamanda, enerji tasarruflu, biyouyumlu, yüksek katalitik aktiviteye sahip mikrojel tanecik formunda Au/kitosan ve özgün boyut ve yapıya sahip küre formunda Au/TiO2 üretilmiştir. Mekanik dayanımı yüksek, yüksek metal etkileşim kapasitesine sahip destek maddelerine yeni bir kullanım alanı kazandırılmıştır.