Determination of the chemical and mechanical stability of ZnO nanorods grown on different surfaces for photocatalytic applications
Yükleniyor...
Dosyalar
Tarih
2012
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Ege Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Atık suların arıtılmasında nano boyuttaki ZnO ve TiO2'in fotokatalizör olarak kullanılması, klasik arıtma ve dezenfeksiyon tekniklerine alternatif olarak, geniş çapta araştırılan yeni bir yöntemdir. "Slurry" türü reaktörlerdeki reaksiyon ortamı içerisinde asıltı halinde bulunan katalizör taneciklerine kıyasla sabit bir yüzeye tutturulmuş fotokatalizörler, filtrasyon işlemi gerektirmemeleri nedeniyle tercih edilmektedir. Tutturulmuş nanotanelerin mekanik kararlılığı bu tanelerin fotokatalizör olarak kullanılabilmelerinin ön şartıdır. Tutturulmuş nanotanelerin fotokatalitik reaksiyonlarda kullanımına dair az da olsa çalışma bulunmasına rağmen, bir yüzey üzerinde yetiştirilen nanoçubukların mekanik ve kimyasal kararlılığı şimdiye kadar incelenmemiş bir konudur. Bu çalışmanın amacı, cam yüzeyler üzerinde yetiştirilen ZnO nanoçubukların sürekli akım şartları altında mekanik ve kimyasal kararlılığının tayin edilmesidir. Nanoçubukların alt taban üzerine bağlanma gücüne etki eden çekirdek oluşumu, akım rejimi, ortam pH'ı ve UV ışınlarının nanoçubukların kararlılığına olan etkileri sistemin kararlılığını etkileyen parametreler olarak incelenmiştir. Ayrıca, TiO2 filmi ile kaplamanın, ZnO nanoçubuklarının kararlılığı ve fotokatalitik etkinliği üzerine etkisi de araştırılmıştır. Cam yüzeyler üzerinde ZnO nanoçubukları, sol/jel ve hidrotermal yöntemler bir arada kullanılarak büyütülür. Cam yüzeylerden nanoçubukların büyütülebilmesi için, yüzeylerin öncelikle nanometre mertebesinde ZnO çekirdek filmi ile kaplanması ve nanoçubukların bu çekirdek filmi üzerinden büyütülmesi gerekir. Bu ön-kaplama işlemi sol-jel ve dönel kaplama yöntemleri bir arada kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen ZnO nano çekirdeklerinin ortalama tane çapının ~30nm, ve yüzeydeki ortalama çekirdek dağılımının ~9x10^10 #/cm2 mertebesinde olduğu bulunmuştur. Hidrotermal işlem sonrası altıgen kesitli, yüzeye dik, birbirine oldukça paralel ve yüksek sayı yoğunluğuna sahip nano çubuklar elde edilmiştir (ortalama çubuk çapı =~100nm; ortalama çubuk boyu =~4μm, ortalama çubuk dağılım yoğunluğu =~5x10^9 #/cm2). Değişik reaksiyon koşulları altında elde edilen bütün ZnO nano çubuklarının hekzagonal wurtzite kristal yapısında olduğu ve kristal büyümesinin boy-yönünde (0001) daha baskın olduğu X-ışınları kırınımı sonuçlarından bulunmuştur. Bu çalışmada, diktörtgen kanal biçiminde sürekli akım altında çalışabilen yeni bir reaktör tasarlanmıştır. ZnO nanoçubukları ile kaplı cam plakalar, kanalın altında yer alan girintiye yerleştirilmiştir. Kanalın üst duvarına yerleştirilen kuvartz plaka ile UV ışınlarının tamamının nanoçubuklara ulaşması sağlanır. ZnO nanoçubuklarının sürekli su akımı altındaki kimyasal ve mekanik kararlılıkları öncelikle karanlık ortamda incelenerek UV ışını ve fotokatalitik reaksiyon koşulları altında dayanıklılık için ön kriter oluşturulmuştur. ZnO nanoçubuklarının esas olarak hidrofilik (suyu seven) olan uç kısımlarından çözündüğü gözlenmiştir. Çözünme mekanizması, çubukların dikey ve paralel olmasına, dolayısı ile, alttaki çekirdek tabakasının yapısına bağlıdır. Ayrıca, kanalın içerisindeki su hızı arttırıldığında nanoçubuklara etki eden kayma gerilimi de artmış, bu da nanoçubukların çözünme ve üst yüzeylerinden kopma eğilimlerini arttırmıştır. 3.30 cm3/s su debisinde, nanoçubukların çözünme yüzdesinin 24 saat sonra %2.5 mertebesinde olduğu bulunmuştur. TiO2 ile kaplanma, nanoçubukların UV ışını altında çözünmesini büyük ölçüde önlemiştir. Ayrıca, çözünürlük değerleri ZnO'in karanlık ortamda tek başına çözünmesine göre daha azdır. Tutturulmuş nanoçubukların fotokatalitik etkinliğinin tayini için, metil turuncusu boyar maddesi model organik kirlilik olarak seçilmiştir. TiO2 kaplı ZnO nanoçubukları fotokatalizör olarak kullanıldığında, 3.30 cm3/s su debisinde, metil turuncusu 30 saat reaksiyon sonrası %~20 ve 48 saat sonra %32 oranında bozunmuştur. 48 saat reaksiyon süresi sonunda, nanoçubukların çözünme yüzdesinin %1.6 mertebesinde olduğu bulunmuştur. Elde edilen tüm sonuçlar, sabit bir yüzey üzerine tutturulan ZnO ve TiO2/ZnO nanoçubuklarının sulardaki kirliliklerin arıtılmasında fotokatalizör olarak kullanılabileceğini göstermiştir.
Açıklama
Anahtar Kelimeler
ZnO nanoçubukları, ZnO/TiO2 kompoziti, dikdörtgen kanallar, mekanik kararlılık, çözünme mekanizması., ZnO nanorods, ZnO/TiO2 composites, rectangular channels, mechanical stability, dissolution mechanism., Temel İilemler ve Termodinamik A.B.D.
