Nano-tiO 2 kataliZÖrler ile uv-işini altinda fenol’Ün fotokataliTİk aktiVİtesiNİN İncelenmesi


Download 64.46 Kb.
Pdf ko'rish
Sana09.03.2017
Hajmi64.46 Kb.

NANO-TİO

2

 KATALİZÖRLER İLE UV-IŞINI ALTINDA  

FENOL’ÜN FOTOKATALİTİK AKTİVİTESİNİN İNCELENMESİ 

                                 

Ayça KAMBUR, G. Selda POZAN SOYLU* 



İstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 34320, İstanbul, Türkiye 

*İstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü,34320, gpozan@istanbul.edu.tr 

 

1.ÖZET 

     Bu  çalışmada nano boyutlu TiO

2

 katalizörler, sol-gel metodu ile titanyum isopropoksit, titanyum bütoksit, titanyum tetra 



klorür gibi farklı titanyum kaynakları kullanılarak sentezlenmiştir. Sol-gel metodu ile hazırlanan katalizörler değişik sıcaklıklarda 

kalsine edilerek anataz ve rutil olmak üzere 2 farklı fazda üretilmiş, kristal yapıları X-ışını difraktometresinde incelenmiştir. 

Fenolün fotokatalitik bozunması farklı reaksiyon şartlarında hazırlanan nano katalizörler varlığında UV ışık altında incelenmiştir. 

Anataz TiO

2

’nin rutil fazdan daha yüksek fotokatalitik aktivite gösterdiği gözlenmiştir. Farklı titanyum kaynağının ve 



kalsinasyon sıcaklığının fenol dönüşümü açısından iyileştirici bir etki sağladığı anlaşılmıştır. Ayrıca, nano

 

anataz-TiO



2

(TIP600) 

katalizörünün ticari TiO

2

 Degussa P25 katalizörü kadar etkin bir katalizör olduğu sonucuna varılmıştır.



 

Anahtar Kelimeler:

 

TiO


2

, fenol, fotokatalitik bozunma, karakterizasyon

 

 

2.GİRİŞ 



     Son  yıllarda, titanyum dioksit (TiO

2

) üzerinde, fotokatalitik aktivite özelliğinden dolayı 



yoğun olarak çalışılmaktadır. TiO

2

, UV ışığı ile uyarıldığı zaman fotoaktif özellik gösteren ve 



organik grupları parçalayabilen yarı iletken bir malzemedir. TiO

2

,  ışığa maruz bırakıldığında, 



suyun arıtılmasında, kendi kendini temizleyebilen, buğulanmayan yüzeylerin elde edilmesinde, 

fotokimyasal olarak kanser tedavisi uygulamalarında, havanın arındırılmasında kullanılabilir[1]. 

      Anataz ve rutilin valans bant enerjileri çok düşük bir seviyededir. Bu durum, hem anatazın 

hem de rutilin valans bantlarında oluşan boşlukların (ve hidroksil radikallerinin) yüksek 

oksitleme gücüne sahip olduğu anlamına gelmektedir. Rutilin iletkenlik bandı enerjisi, suyu 

elektrolitik olarak hidrojene indirgemek için gerekli olan potansiyele yakındır, fakat anatazın 

iletkenlik bandı enerjisi, enerji diyagramında daha yüksektedir ve bu da anatazın daha yüksek 

redükleme gücüne sahip olduğunu göstermektedir[1]. 

      Fotokimya belirli dalga boyundaki ışığın absorplanmasıyla elektriksel olarak uyarılan atom 

ya da moleküllerin kimyasal reaksiyonlarını kapsar. 

      Avantajları: 

1-Işık, büyük oranda spesifik ve ekolojik bir reaktif olarak düşünülebilir. 

2-Fotokimyasal reaksiyonlar termal olanlara göre daha ılımlı koşullarda gerçekleşir. 

3-Genellikle oda sıcaklığında ya da altında çalışıldığı için endüstriyel proseslerin güvenliği 

açısından önemli bir durumdur. 

4-Pek çok geleneksel sentez fotokimyasal adımlar eklenerek kısaltılabilir[2]. 

     Bu  gibi  avantajlarından ötürü yaptığımız çalışmada hazırlanan katalizörlerin aktiviteleri 

fotokatalitik bozunma reaksiyonlarında incelenmiştir. 



 

 

3.DENEYSEL 

     Nano  boyutlu  TiO

2

 katalizörler, Titanyum isopropoksit (TIP), Titanyum bütoksit (TB) ve 



TiCl

4

 [3,4] gibi üç farklı titanyum kaynağı kullanılarak sol-gel metodu ile hazırlanmıştır. 



Titanyum isopropoksit ve asetik asit kullanarak sol-gel metodu ile hazırlanmış beyaz toz 300, 

600 ve 900 °C’de 4 saat kalsine edilmiş ve anataz/rutil fazlar elde edilmiştir.  

     Hazırlanan katalizörlerin fotokatalitik aktiviteleri, şekil 1ve şekil 2’de görülen içine 8 adet 

toplam 64W güce ve 35337mW/m

2

 ışıma şiddetine sahip UV lamba takılan, kendinden manyetik 



karıştırmaya sahip Luzchem marka fotoreaktör sistemde incelenmiştir. 

  

 



            

Şekil 1. Fotoreaktör sistemi dış görünümü 

 

Şekil 2. Fotoreaktör sistemi iç görünümü   



     Reaksiyonlar  oda  sıcaklığında yapılmıştır. Denemelereden önce bir deney sistematiği 

hazırlanmıştır. Hazırlanan katalizörler, reaksiyondan önce farklı karanlıkta bekletme süresi, 

katalizör miktarı ve fenol konsantrasyonunda test edilmiştir. Optimum reaksiyon koşullarına 1 

saat karanlıkta bekletme ile, 25 ppm fenol ve 0,1g katalizör kullanarak ulaşıldığı görülmüştür. 

Reaksiyonlar, 1 saat karanlıkta bekletmenin ardından 5 saat ışımayla birlikte manyetik karıştırma 

altında sürdürülmüştür. Fenol konsantrasyonundaki değişim Shimadzu marka UV-vis-2550 

spektrofotometresinde 269 nm dalgaboyunda ölçülmüştür. 

 

     XRD    analizleri  Rigaku  marka cihazda 2 derece/dakika çekim hızıyla 2θ= 10-90 arasında 



incelenmiştir. 

 

4.SONUÇLAR 

     Hazırlanan katalizörlerin XRD diyagramlarında (şekil 3) TiO

2

(TIP300) ve TiO



2

(TIP600)’ün 

anataz (JCPDS 21-1272), TiO

2

(TIP900)’ün rutil yapıda (JCPDS-21-1276) olduğu görülmüştür. 



Ayrıca, TiO

2

(TB) ve TiO



2

(TiCl


4

) katalizörlerinin de (Şekil 4) anataz (JCPDS 21-1272) yapıda 

olduğu görülmüştür.  


20

40

60



80

A

A



A

A

A



A

A

R



R

R

R



R

R

R



R

R

R



R

A=Anataz


R=Rutil

A A


A

A

A



A

A

A



A

A

A



A

A

A



P

ik si


ddet

i

2



θ

 (derece)

 TiO

2

(TIP300)



 TiO

2

(TIP600)



 TiO

2

(TIP900)



 

Şekil 3. Farklı sıcaklıklarda kalsine edilen TiO

2

(TIP) katalizörüne ait XRD diyagramları 



20

40

60



80

A=Anataz


A

A

A



A

A

A



A

A

A



A

A

A



A

Pi

k



 s

iddet


i

2

θ



 (derece)

 TiO


2

(TB)


 TiO

2

(TiCl



4

)

 TiO



2

(TIP600)


 

Şekil 4. Farklı Ti kaynakları ile hazırlanan anataz TiO

2

 katalizörlerinin XRD diyagramları 



 

     Hazırlanan katalizörlerde 

TiO

2

 yapısına ait 



kristal boyutlar Scherrer denklemine göre 

hesaplanmış ve sonuçlar Tablo 1’de verilmiştir. 

 

 


 

Katalizörler TiO

2

 Kristal Boyutu(nm) 



TiO

2

(TIP300) 75,3 



TiO

2

(TIP600) 37,9 



TiO

2

(TIP900) 15,15 



TiO

2

(TB) 15,44 



TiO

2

(TiCl



4

) 15,15 


Tablo 1. Katalizörlere ait 

TiO


2

 

kristal boyutları 



TiO

2

(TIP) katalizörlerinde kalsinasyon sıcaklığı arttıkça kristal boyutunun azaldığı görülmüştür.  



     Reaksiyonlarda  kullanılacak optimum koşulları belirlemek üzere TiO

2

(TIP600) katalizörü 



kullanılarak farklı karanlıkta bekletme süresi, fenol konsantrasyonu ve katalizör miktarı 

denenmiştir. Karanlıkta bekletme süresi (30 dk, 1saat, 2saat)’nin fenol bozunmasındaki etkisi 

incelenmiş ve fenol konsantrasyonu ile ışınlama zamanı arasında grafik oluşturulmuştur (şekil 

5). 1 saat karanlıkta bekletme ile daha yüksek fenol dönüşümlerine ulaşıldığı görülmüştür.  

 

0

1



2

3

4



5

0

10



20

30

40



50

F

e



no

l K


ons

an

tr



a

sy

on



u (

pp

m



)

Zaman(saat)

 30dk

 1 saat


 2 saat

 

Şekil 5.Farklı karanlıkta bekletme sürelerinin fenol bozunmasındaki etkisi  



*Reaksiyon şartları: 50 ppm fenol çözeltisi,0,2g TiO

2

(TIP600) 35337 mW/m



2

 ışıma şiddetli UV lamba  

 

1 saat karanlıkta bekletme ve 0,2g katalizör miktarı ile farklı fenol konsantrasyonlarında yapılan 



reaksiyonlar neticesinde 25ppm fenol çözeltisi kullanılarak daha yüksek fenol dönüşümü elde 

edilmiştir ( şekil 6). 



0

1

2



3

4

5



0

20

40



60

F

eno



l K

onsant


rasy

o

nu(



ppm

)

Zaman(saat)



 25ppm

 50ppm


 75ppm

 

Şekil 6. Fenol konsantrasyonunun fenol bozunmasına etkisi 



*Reaksiyon şartları: 1 saat karanlıkta bekletme, 0,2g TiO

2

(TIP600) , 35337mW/m



2

 ışıma şiddetli UV lamba  

 

Çalışmanın devamında, 1 saat karanlıkta bekletme ve 25 ppm başlangıç fenol konsantrasyonu 



kullanılarak farklı katalizör miktarları denenmiş ve 0,1g katalizör kullanıldığında fenol 

konsantrasyonundaki azalmanın daha fazla olduğu dikkati çekmiştir (şekil 7). 

0

1

2



3

4

5



0

5

10



15

20

F



eno

l K


onsa

nt

rasy



o

nu 


(pp

m

)



Zaman(saat)

 0,05g


 0,1g

 0,2g


 

Şekil 7. Katalizör miktarının fenol bozunmasına etkisi  

*Reaksiyon şartları: 1 saat karanlıkta bekletme, 25 ppm fenol çözeltisi, TiO

2

(TIP600) katalizör, 



 

35337 mW/m

2

 

ışıma şiddetli UV lamba  



1 saat karanlıkta bekletmenin ardından 25ppm fenol çözeltisi kullanılarak 0,1g katalizör 

kullanılarak farklı Ti kaynaklarından hazırlanan katalizörler test edilerek, zamanla fenol 

konsantrasyonundaki değişim takip edilmiştir. 

Şekil 8’de anataz TiO

2

(TIP600) katalizörü kullanıldığında 3 saat sonunda fenol’ün tamamı 



bozulduğu görülmektedir. Ancak, TiO

2

(TIP300) ve TiO



2

(TIP900) katalizörleri varlığında ise 5 

saat sonunda fenol dönüşümlerinin sırasıyla %57,7 ve %51,4 ulaştığı görülmüştür. Kalsinasyon 

prosesinde 600 

o

C’den sonra yapının anatazdan rutil dönüşmesi sonucu katalizörün oldukça 



düşük aktivite göstermesine neden olduğu anlaşılmıştır.  

0

1



2

3

4



5

0

5



10

15

20



25

F

enol



 k

ons


ant

rasy


onu (

ppm


)

Zaman(saat)

 TiO

2

(TIP300)



 TiO

2

(TIP600)



 TiO

2

(TIP900)



 

Şekil 8. TiO

2

(TIP) katalizörleri varlığında Fenol’ün fotokatalitik bozunmasında kalsinasyon sıcaklığının etkisi  



*Reaksiyon şartları: 1 saat karanlıkta bekletme, 25 ppm fenol çözeltisi, 0,1g TiO

2

(TIP) katalizör, 



 

35337 mW/m

2

 

ışıma şiddetli UV lamba 



 

 

 



Şekil 9’da farklı titan kaynaklarıyla hazırlanmış TiO

2

 katalizörlerin fotokatalitik aktiviteleri ticari 



katalizör olan Degussa P25 ile karşılaştırılmıştır.  Anataz yapıda elde edilen TiO

2

(TIP600) 



katalizörü ile TiO

2

-Degussa P25 katalizörüne yakın fenol dönüşümleri elde edilmiştir. Fenol 



bozunmasının TiO

2

-Degussa P25 katalizörü ile 2 saat sonunda, TiO



2

(TIP600) katalizörü ile 3 

saat sonunda tamamlandığı görülmüştür.

 

 



 

 

 



 

 

 



0

1

2



3

4

5



0

5

10



15

20

25



F

eno


l K

onsan


tr

asy


o

nu 


(p

p

m



)

Zaman (saat)

 TiO

2

(TIP600)



 TiO

2

(TB)



 TiO

2

(TiCl



4

)

 TiO



2

 Degussa P25

 

Şekil 9. Farklı Titanyum kaynakları ile hazırlanan anataz TiO



2

 katalizörlerinin fenol’ün fotokatalitik 

bozunmasındaki aktivite değişimleri 

*Reaksiyon şartları: 1 saat karanlıkta bekletme, 25 ppm fenol çözeltisi, 0,1g katalizör, 

 

35337 mW/m



2

 ışıma şiddetli 

UV lamba 

 

 



     Sonuç  olarak,  gerek  farklı titanyum kaynağı ve gerekse kalsinasyon sıcaklığının değişimi 

fenol dönüşümünü açısından iyileştirici bir etki sağlamıştır. Nano yapıda sentezlenmiş olan TiO

2

 

katalizörlerinden anataz-TiO



2

(TIP600) katalizörünün fenol’ün fotokatalitik bozunma 

reaksiyonunda ticari TiO

2

 Degussa P25 katalizörü kadar etkin bir katalizör olduğu anlaşılmıştır. 



Ancak TiO

2

 Degussa P25 katalizörü ile olduğu gibi, daha kısa sürede bozunma etkisi 



sağlayabilecek alternatif katalizörler geliştirme konusunda çalışmalar devam etmektedir. 

 

 



5.KAYNAKLAR 

[1]  Şam, E.D., Ürgen, M., Tepehan F.Z., “TiO

2

 Fotokatalistleri”, İtü dergisi/d Mühendislik 



Cilt:6, Sayı:5-6, 81-92, 2007. 

[2] ULLMANN’S Encyclopedia of Industrial chemistry 7th edition, 2007, “Photochemistry”,1-

29.   



[3]  Li, B., Wang,X., Yan, M., Li, L.,  “Preparation and 

characterization

 of nano-TiO

2

 powder”, 



Materials Chemistry and Physics 78, 184-188, 2002. 

[4] Zhu, Y., Zhang, L., Yao, W., Cao, L., “The chemical states and properties of doped TiO

2

 film  



photocatalyst prepared using the Sol–Gel method with TiCl

4

 as a precursor’’, Applied Surfice 



Science 158, 32-37, 2000. 


Download 64.46 Kb.

Do'stlaringiz bilan baham:




Ma'lumotlar bazasi mualliflik huquqi bilan himoyalangan ©fayllar.org 2020
ma'muriyatiga murojaat qiling