Polimer/grafen/ZnO nano-hibrit yapılarının sentezlenmesi, karakterizasyonu ve fotokatalitik etkinliğinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmanın amacı, farklı şekil veya doğaya sahip organik ve inorganik altlık malzemelerin yüzeyinde tek boyutlu (1B) ZnO nanoçubuklar büyütülerek üstün özelliklere sahip yenilikçi fotokatalizör malzemeler sentezlemektir. Cam, ağ yapılı alümina (Al_2 O_3) ve ağ yapılı poliüretan (PU) altlıklar üzerinde düşük sıcaklıkta (95 °C) kimyasal banyo biriktirme (CBD) yöntemiyle ZnO nanoçubuk dizileri büyütülmüştür. ZnO nanoçubuklar için çekirdek merkezi görevi yapan ZnO çekirdekleyici tabakanın kimyası, kaplama kalınlığı ve tavlama sıcaklığının, ZnO nanoçubukların yapısal ve optik özellikleri üzerine etkisi çeşitli karakterizasyon yöntemleriyle (XRD, SEM-EDS, UV-DRS, PL, v.b.) incelenmiştir. Polivinil alkol (PVA) ve dietanolamin (DEA) ile modifiye edilen çekirdekleyici tabakalar, c-ekseni yönünde hizalanmayı geliştirmiştir. Bununla birlikte, oldukça yoğun ve dikey hizalanmış ZnO nanoçubukların ışık ile temas eden yüzey alanı yetersiz olduğu için fotokatalitik oksidasyon verimlerinde düşüş gözlemlenmiştir. Ayrıca, CBD öncü çözeltinin kimyası, büyüme süresi ve büyüme sonrası tavlama sıcaklığının ve tavlama atmosferinin nanoçubuk morfolojisine ve optik özellikleri üzerine etkisi araştırılmıştır. Tavlama işlemi ile birlikte özellikle 400 °C'de ZnO'nun optik özelliklerinde kusur konsantrasyonundaki artış nedeniyle iyileşmiştir. ZnO'yu gün ışığına duyarlı hale getirmek amacıyla seryum (Ce) ile katkılama yapılmıştır. Katkılama ile birlikte ZnO'nun bant aralığı yeniden düzenlenerek, elektron-boşluk çiftlerinin yeniden birleşme oranı azaltılmış ve görünür bölgede fotokatalitik özellikler geliştirilmiştir. Çalışmanın son kısmında ise; grafitten kimyasal yöntemlerle grafen oksit (GO) ve indirgenmiş grafen oksit (rGO) sentezlenmiş ve çeşitli yaklaşımlarla hedeflenen nihai yapı olan esnek ZnO/GO-rGO fotokatalizör malzemeler tasarlanmıştır. Sentezlenen tüm yapıların hem UVA hem de görünür ışık altında Asit Kırmızısı 88 (AR88) azo boya çözeltisinin renk giderim verimleri esas alınarak fotokatalitik etkinlikleri incelenmiştir. Ayrıca, fotokatalitik reaksiyonlarda etkin rol oynayan reaktif türlerin belirlenmesi amacıyla radikal süpürücü deneyler gerçekleştirilmiştir.

The aim of this study is to synthesize innovative photocatalyst materials with superior properties by growing one-dimensional (1D) ZnO nanorods on the surface of organic and inorganic substrates of different shapes or natures. ZnO nanorod arrays were grown by low temperature (95 °C) chemical bath deposition (CBD) method on glass, reticulated alumina (Al_2 O_3), and reticulated polyurethane (PU) substrates. The effects of the chemistry, coating thickness, and annealing temperature of the ZnO seed layer on structural and optical properties of ZnO nanorods were investigated by various characterization methods (XRD, SEM-EDS, UV-DRS, PL, etc.). The modification of the seed layer with polyvinyl alcohol (PVA) and diethanolamine (DEA) improved the alignment of ZnO nanorods in the c-axis direction. However, the photocatalytic oxidation efficiencies of the highly dense and vertically aligned ZnO nanorods decreased due to insufficient light-contacting surface area. In addition, the effects of CBD precursor chemistry, growth time, post-growth annealing temperature and atmosphere on nanorod morphology and optical properties were investigated. The optical properties of ZnO improved with the annealing process at 400 °C due to the increase in the defect concentration. ZnO nanorod was doped with cerium (Ce) to make it sensitive to sunlight. The recombination rate of electron-hole pairs was reduced and photocatalytic properties improved in the visible region by rearranging the bandgap of ZnO with Ce-doping. In the last part of the study, Graphene oxide (GO) and reduced graphene oxide (rGO) were synthesized from graphite by chemical methods. Then, flexible ZnO/GO-rGO photocatalyst were designed by various approaches. Photocatalytic activities of all synthesized structures were investigated based on the decolorization efficiency of Acid Red 88 (AR88) azo dye solution under both UVA and visible light. Furthermore, radical scavenging experiments were carried out to determine the reactive species that play an active role in photocatalytic reactions.