Hydrothermal preparation of single crystalline CeO2 nanoparticles and the influence of alkali hydroxides on their structure and optical behavior

Abstract

Tek kristal seryum oksit nanoparçacıkları, seryum nitrat [Ce(NO3)3.6H2O] ve alkali baz sulu çözeltisinin karıştırılmasından sonra hidrotermal metotla sentezlenmiştir. Morfoloji ve kristallik özelliği çeşitli karakterizasyon yöntemleri kullanılarak belirlenmiştir. Bu yöntemler X-ray kırınımı, Taramalı ve Geçirimlielektron mikroskoptur.Bu tez çalışması üç parçaya ayrılmıştır. Çalışmanın birinci bölümünde, reaksiyona etki eden bazı etmenler üzerinde durulmuş ve bu etmenlerin nanoparçacıkların büyüklüğü ve şekli üzerindeki etkisine bakılmıştır. Reaksiyon süresi ve sıcaklığı arttırıldığında CeO2 nanoparçacıklarının büyüklüğünde bir artışgözlemlenmiştir. Ayrıca bu etki alkali baz konsantrasyonunun artışında da görülmüştür. Konsantrasyonu yüksek alkali bazlarda morfoloji topaklanma yerine daha homojen dağılım göstermektedir. Alkali baz tipi değiştirildiğinde ise NaOH kullanımıyla oluşan kübik CeO2 nanokristallerin KOH ve LiOH kullanımına göre daha büyük olduğu saptanmıştır.İkinci bölüm seryum oksit nanoparçacıklarının optik özelliklerini araştırmaya yöneliktir. UV-Görünür ve Floresans Spektroskopi sonuçlarına göre seryum oksit nanoparçacıklarının bant aralığı, parçacık boyutu ve kristal kusurları kolayca incelenebilir. Buna göre, NaOH ile hazırlanan nanoparçacıklarında KOH ve LiOHbazlarına göre daha az kristal kusuru bulunmuştur. Ayrıca, yüksek sıcaklıklarda ve reaksiyon zamanlarında kristal kusurlarında azalma gözlemlenmiştir.Son bölümde seryum oksit nanoparçacıklarının şekil farklılıkları morfoloji, parçacık boyutu ve optik özelliklerine etkisi incelenmiştir. Hidrotermal sentez sıcaklığı düşükken (120°C) veya reaksiyon süresi kısayken (1 saat) iğne şeklinde nanoparçacıkları oluşurken. 160°C'den sonra sıcaklık artışıyla kübik nanoparçacıklar oluşmuştur.

Single crystalline cerium oxide nanoparticles were synthesized via hydrothermal method by mixing aqueous solution of cerium nitrate [Ce(NO3)3.6H2O] with an alkali base. Several characterizationmethods were used to identify morphology and crystalline nature such as X-ray Diffraction, Scanning andTransmission Electron Microscopes.This study is divided into three parts. In the first part, some controlling parameters like, that were affecting size and shape of CeO2 nanoparticles, were studied. It was found that size of CeO2 nanoparticles increased when increasing both reaction time and temperature. Alkali base concentrationpromoted the particle growth. Also, particle morphology was more uniform rather than aggregated inpresence of higher concentrated alkali base. When the alkali base type was changed, the use of NaOHproduced larger cubic nanocrystals of CeO2 than KOH and LiOH.Second part is related to determine the optical properties of CeO2 nanoparticles. Based on theUV-Vis and Fluorescence Spectroscopy results, size, bandgap and defect level of CeO2 nanoparticles canbe easily determined. Nanoparticles in presence of NaOH alkali base were found to produce less defectiveCeO2 nanoparticles as compared to KOH and LiOH.The last part of this work is to evaluate the shape effect on morphology, size and optical properties of CeO2 nanoparticles. Rod crystals of CeO2 were produced when the hydrothermal synthesistemperature was low (120°C) or when the reaction time was short (1 hour). When the synthesistemperature was higher than 160°C well defined cubic crystals of CeO2 started to form.