Preparation of metal nanoparticles and/or metal film modified electrodes their characterizations and electrochemical applications

Abstract

Analitik kimyadaki önemli çalışma alanlarından birisi organik ve inorganik maddelerin elektrokimyasal tayinidir. Bu alandaki araştırma konularının çoğu, organik ve inorganik analitlerin tayini için, yüksek duyarlık, doğruluk ve düşük belirtme sınırı elde etmek için yöntem geliştirmeyi esas alır. Son yıllarda nanoteknoloji ve nanobilimdeki gelişmeler, fiziksel ve kimya ve biyolojik konusunda bilgi sağlayan çalışmalar hız kazanmıştır. Özellikle nano boyuttaki malzemelerin geliştirilmesi sonucu, elektrokimyasal çalışmalarda kullanılan geleneksel elektrotların kimi uygulamalardaki yetersizliğini gidermek amacıyla, analitlere karşı katalitik etkinliği ve seçimliliği yüksek, farklı yüzeylere gereksinim duyulmuştur. Bu amaca yönelik yüksek iletkenlik, geniş ve etkin yüzey alanlarına sahip karbon naotüp veya iletken polimer filmlerin metal nanoparçacıklar ile birleştirilmesi önemli yeni elektrot malzemeleri olarak kullanılmaktadır.İki bölümden oluşan bu tez çalışmasının ilk kısmında, metal nanoparçacıklar (Au, Pd, Ni) ile modifiye çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) kaplı elektrotlar hazırlanarak etanol ve metanol gibi yakıt olarak kullanılabilecek küçük alkol moleküllerinin elektrokatalitik yükseltgenmesine olan etkileri incelenmiştir. Etanol ve metanolün yükseltgenmesine karşı en yüksek katalitik etkinlik Pd-Au-Ni metal nanoparçacık modifiye MWCNT/GCE? da gözlenmiştir. Üçlü metal nano parçacık modifiye elektrotlarla elde edilen sonuçlar diğer elektrotlarla elde edilen voltammetrik sonuçlarla karşılaştırıldığında, gerek etanol gerekse metanol alkali ortamdaki hem pik akımları artmış hem de yükseltgenme pik potansiyelleri daha negatif değerlere kaymıştır. Pd, Au ve Ni nano parçacığın tekli, ikili ve üçlü olarak MWCNT/GCE yüzeyindeki morfolojik ve kimyasal karakterizasyonları SEM-EDX, XRD ve XPS tekniklerle yapılmıştır. İkinci bölümde ise modifiye karbon pasta elektrotlar ile çevre için zararlı olan ağır metallerden kurşun ve kadmiyumun nicel tayinleri gerçekleştirilmiştir. Yalın karbon pasta elektrot; Ca3(PO4)2, Ca3(PO4)2+ZrO(H2PO4)2, Ca3(PO4)2+Cu2Fe(CN)6, CNT+K4Fe(CN)6, Sn-Bi film gibi parçacıklarla modifiye edilmiştir. Modifiye edilmiş karbon pasta elektrotlarla yalın karbon pasta elektroda göre daha duyar ve düşük belirtme sınırı elde edilmiştir. Pb(II) iyonunun belirtme alt sınırı 0.1584x10-7 mol L-1±0.035 (Xort ±3S) ve tayin sınırı 0.528x10-7 mol L-1±0.172 (Xort ±10S) olarak for Sn-Bi Film modifiye karbon pasta elektrot kullanılarak bulunmuştur. Cd(II) iyonunun belirtme alt sınırı 1.2654x10-7mol L-1±0.042 (Xort ±3S) ve tayin sınır4.218x10-7 mol L-1±0.196 (Xort ±10S) olarak for Sn-Bi Film modifiye karbon pasta elektrot kullanılarak bulunmuştur. Tüm elektrot yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu, X-ışınları fotoelektron spektroskopisi ve elektrokimyasal impedans spektroskopisi ile karakterize edilmiştir.

The main research area of analytical chemistry is organic and inorganic compounds determined by electrochemical techniques. In this research area, to determine organic and inorganic analytes needs high sensitivity, accuracy and low detection limits for methods. Sensor applications that provide information on our physical, chemical and biological environment were increased with the progress on nanoscience and nanotechnology. The insufficient behaviour of bare electrodes lead to necessity of different catalytically active surfaces. Carbon nanotubes or polymer films were canditates for overcome this problem with their active sited high surface area.In the first part of this thesis which consisted of two different sections, metal nanoparticles (Au, Pd, Ni) modified multiwall carbon nanotube electrodes were prepared and their effect on electrocatalytic oxidation of ethanol and methanol as a fuel for cells were investigated. The best catalytic activity for ethanol and methanol oxidations were supplied with Pd-Au-Ni metal nanoparticles modified MWCNT/GCE. Trimetallic nanoparticles covered carbon nanotube electrode compare with other electrodes the peak current was increased also oxidaiton peak potential was shifted to negative values for ethanol and methanol in alkaline media. Pd, Au ve Ni nanoparticles, bi and tri metalic covered MWCNT/GCE surfaces morphology and chemical characterization were characterizied by SEM-EDX, XRD ve XPS techniques.In second part of this thesis, the quantitative determinations of lead and cadmium which was harmfull for environment were investigated by modified carbon paste electrode. Bare carbon paste electrode modified with Ca3(PO4)2, Ca3(PO4)2+ZrO(H2PO4)2, Ca3(PO4)2+Cu2Fe(CN)6, CNT+K4Fe(CN)6, Sn-Bi Film. Modified carbon paste electrode compare with bare carbon paste electrode, modified carbon paste electrode show more sensitive and low limit of dedection. Differential puls voltammetry and square wave voltammetry were used quantitative determination of lead and cadmium. Limit of dedection of Pb(II) ions was 0.1584x10-7 mol L-1±0.035 (Xort ±3S) and limit of quantitaion of Pb(II) ions was 0.528x10-7 mol L-1±0.172 (Xort ±103S) for Sn-Bi Film modified carbon paste electrode. Limit of dedection of Cd(II) ions was 1.2654x10-7mol L-1±0.042 (Xort ±3S) and limit of quantitaion of Cd(II) ions was 4.218x10-7 mol L-1±0.196 (Xort ±103S) for Sn-Bi Film modified carbon paste electrode. All electrode surfaces were characterizied by scanning electrone microscopy, X-Ray photoelectrone spectroscopy and electrochemical impedance spectroscopy.