Akademik Veri Yönetim Sistemi
Kanbur K., Sargın F., Birlik I., Ak Azem N. F., Türk A. (Yürütücü)
Yükseköğretim Kurumları Destekli Proje, 2020 - 2022
Endüstrinin hızlı gelişimi, artan nüfus ile ortaya çıkan enerji gereksinimi ve çevre kirliliği günümüzde karşılaşılan en yaygın sorunlardandır. Bu nedenle, yüksek verimlilikte temiz enerji üretimi ve sürdürülebilir teknolojilerin geliştirilmesi zorunlu hale gelmektedir. Güneş ışığının bol miktarda ve kolay elde edilebilmesinden dolayı, güneş enerjisini kimyasal enerjiye veya güneş yakıtlarına dönüştürülmesi, küresel enerji ve çevre sorunlarını çözmek için uzun vadeli ve ileriye dönük çözümlerden biri olarak kabul edilmektedir. Böyle bir dönüşümü gerçekleştirmenin anahtarı ise fotokatalizörlerdir. Fotokatalitik malzemeler hidrojen üretiminde, CO2 indirgemede, organik atıkları parçalamada ve bakterilerin öldürülmesinde etkin rol oynamaktadır. Bu sebeple, son yıllarda birçok araştırmacı, güneş enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürmekte kullanılan gelişmiş fotokatalitik uygulamalar için, sürdürülebilir fotokatalizörlerin geliştirilmesi için çalışmalar yapmaktadır. Fakat üretilen fotokatalitik malzemeler sadece ultraviyole (UV) ışık kaynağı altında etkin olabilmektedir ve bu nedenle uygulama olarak günlük yaşamda çok fazla yer bulamamaktadır. Günümüzde yapılan çalışmalar, görünür ışık altında, fotokatalitik aktivite gösterecek yeni nesil malzemeler geliştirme konusunda uğraş vermektedir. Fotokatalizörden beklenen görünür ışık altında aktif olması yanında, çevredeki kirlilikleri en kısa sürede parçalanmasıdır. Bu amaçlar doğrultusunda halihazırda fotokatalitik aktivite gösteren malzemelerin performansını geliştirmek için hibrit veya katkılama (doplama) gibi modifikasyonlar yapılarak farklı fotokatalizör yapılar üretilmektedir. Fotokatalitik malzemeler olarak şimdiye kadar çoğunlukla yarı iletkenler ile çalışılmıştır. Fotokatalitik aktivite, hem bant boşluğu ile hem de rekombinasyon derecesi ile belirlenmektedir. Foto-indüklenmiş elektron/boşluk çiftlerinin hızlı kombinasyonu durumunda, düşük fotokatalitik aktivite oluşmaktadır ve bu durum uygulanabilirliği kısıtlamaktadır. Ayrıca geniş bant boşluğuna sahip yarıiletkenler, (3,2-3,4 eV) sadece ultraviyole bölgede (güneş spektrumunun sadece %4'ü) fotokatalitik aktivite göstermektedir. Bundan dolayı bu tür yarıiletkenlerden, güneş ışığı altında (görünür ışık) elde edilen fotokatalitik verim çok düşük olmaktadır. Yapılan çalışmalarda en çok metal oksit yarı iletkenlerden özellikle de etkin fotokatalitik aktivite gösteren TiO2 üzerine araştırmalar yapılmıştır. TiO2 malzemelerin göreceli olarak yüksek bant boşluklarına sahip olmalarından dolayı görünür ışık altında aktif bir fotokatalitik aktivite gösterememektedir. Ayrıca bu durum yüksek oranda rekombinasyon oluşumunu sağlamaktadır. Bu nedenle nispeten daha dar bant boşluğuna sahip metal oksitlerin fotokatalitik aktivitesinin daha yüksek olması beklenmektedir. Fakat daha dar bant boşluğuna sahip metaller ise iletkenlik bandı, fotokatalitik oluşum reaksiyonlarının bant pozisyonlarının altında kaldığından fotokatalitik etki gösterememektedir. Bu sebeple çevre kirleticilerini parçalayamamaktadır. Bundan dolayı bu duruma en iyi çözüm, çeşitli yöntemler kullanılarak fotokatalitik özellik gösteren malzemelerin modifiye edilmesidir. Bu işlemler genel olarak, çeşitli metal veya metal olmayan atomlarla katkılama, geniş bant aralığına sahip fotokatalizörlerin dar bant aralığına sahip fotokatalizörler ile birleştirilmesi, gibi uygulamalar bulunmaktadır. Son yıllarda gerçekleştirilen çalışmalarda bu modifiye işlemlerinin fotokatalitik özellikler üzerine etkisi incelenmektedir. Bu amaçla yarıiletken bir malzeme olan ve nispeten düşük bant boşluğuna sahip grafen oksitin (GO) fotokatalitik performansı üzerine çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. GO, iki boyutlu yüzeyinde karboksil, hidroksil gibi çeşitli oksijen içeren fonksiyonel gruplara sahip yarıiletken bir malzemedir. GO, 1.79 eV bant aralığı değerine sahip olan p-tipi yarıiletken fotokatalizördür. Modifiye Hummer Metodu yüksek miktarda GO üretimi yapılabilmesine imkan sağladığından birçok alanda kullanılması yaygınlaşmıştır. Bu yöntemde grafitin çeşitli oksitleyici bileşiklere ve asitlere maruz bırakılması sonucunda tabakalarına ayrışma meydana gelmekte ve grafen oksit elde edilmektedir. Hidrotermal, solvotermal, sol-jel veya elektro eğirme yöntemleri ile çeşitli alanlarda uygulaması yapılmaktadır. Bu yöntemler arasından elektro eğirme yöntemi yüksek yüzey alanına, en-boy oranına ve gözenekliliğe sahip malzemeler üretilmesine olanak sağlamasından dolayı son yıllarda sıkça tercih edilmektedir. Elektro eğirme yöntemi tek-boyutlu nano fiber üretmek için basit ve düşük maliyetli bir tekniktir. Tipik bir elektro eğirme işleminde, bir şırınga iğnesi ile topraklanmış bir hedef arasına yüksek bir elektrik potansiyeli uygulanır. Şırınga içindeki çözelti bir pompa yardımıyla iğne ucuna beslenmektedir. Ardından uygulanan yüksek voltaj yardımıyla oluşan elektrostatik kuvvet, şırınga iğnesinin ucunda oluşan damlacıkların yüzey gerilimini aştığında, yüklü sıvı jeti çıkarılmakta ve çıkan bu sıvı jet, nanoboyutta fiberler oluşturmaktadır. GO’in fotokatalitik aktivitesini arttırmak amacıyla çeşitli modifikasyon işlemleri uygulanmaktadır. Bu işlemlerden birisi çeşitli metal oksitlerin GO yapısına hibritlenmesidir. Diğer bir yaklaşım da son zamanlarda daha yüksek verimli fotokatalitik yapılar üretmek amacıyla geliştirilen fakat halen sınırlı sayıda çalışılmış olan katkılama işlemidir. Katkılama işlemi, metal veya metal olmayan elementlerin GO yapısı içerisine atomik boyutlarda yerleştirilmesi işlemidir. Bu yaklaşım sayesinde bant boşluğu değiştirilebilmekte ve fotokatalitik özellikler geliştirilebilmektedir. GO yapılarına genellikle, sülfür (S), fosfor (P), nitrojen (N) ve bor (B) gibi metal olmayan elementler katkılanmıştır. Fakat yapılan çalışmalar incelendiğinde, GO nanofiber membranlara katkılama yapılan bir çalışma bulunmamaktadır. Yapılması planlanan proje çalışmasında, ilk olarak, Modifiye Hummer Metoduyla katkısız, N katkılı ve B katkılı GO üretilmesi planlanmaktadır. Katkısız ve katkılı GO üretildikten sonra Raman Spektroskopisi, X-Işını Kırınımı (XRD), Fourier Dönüşümlü Kızıl Ötesi Spekstrokopisi (FT-IR) ve X-ışını Foto Elektron Spektroskopi (XPS) ile karakterize edilecektir. Sonrasında elektro eğirme yöntemi için bir solvent ve polimerle birlikte GO solüsyonu hazırlanacaktır. Ardından elektro eğirme yöntemiyle farklı voltajlarda katkısız ve katkılı GO nanofiber membranlar üretilecektir. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile üretilen nanofiberlerin morfolojisi incelenecektir. Proje çalışmasının son aşamasında ise üretilen katkısız ve katkılı GO nanofiberlerin fotokatalitik verimliliği, zamana bağlı olarak belirlenecektir.