Development of aerogel based optofluidic microreactors

Optofluidik mikrofotoreaktörlerde ışık reaksiyonlarının verimli olarak gerçekleşebilmesi için ışığın reaksiyon ortamına dağıtımı kritik bir öneme sahiptir. Bu reaktörlerde ışığın reaktant ve fotokatalizör ile etkileşimi ışığın dalgaklavuzları yardımı ile reaksiyon ortamına doğrudan dağılımı ile önemli ölçüde geliştirilebilir. Bu önermede, sıvı çekirdekli dalgakılavuzları sıvı ile doldurulmuş bir kanal ile bu kanalı çevreleyen kaplama (cladding) işlevi gören katı bir malzemeden oluşur ve ışık kanal duvarlarından toplam iç yansıma (TİY) yaparak kanal boyunca ilerler. Kullanılan malzemenin ışığı akışkanın bulunduğu hacme hapsebedilmesi ve ışığın bu hacimde tam iç yansıma (TİY) ile kılavuzlanması gerekir. Bu amaç doğrultusunda kullanılabilecek uygun malzemenin, optofluidik dalgakılavuzlarında çekirdekteki sıvının kırınım katsayısından daha küçük kırınım katsayısına sahip olması (nçekirdek > nkaplama) gereklidir. Benzer, katı çekirdekli TİY temelli dalgkılavuzları için nçekirdek > nkaplama koşulunu sağlayacak kaplama malzemeleri kolayca bulunsa da sıvı çekirdekli optofluidik dalgakılavuzlarında bu koşulu sağlayacak malzemelerin bulunması kolay değildir. Optofluidik dalgakılavuzunun çekirdeğindeki sıvının su olduğu düşünüldüğünde (görünür dalgaboylarında nsu = 1.33) 1.33 değerinden küçük kırınım katsayısına sahip kaplama malzemelerinin bulunması gerekmektedir. Bu noktada, sahip oldukları düşük kırınım katsayılarıyla (görünür dalgaboylarında n ~ 1), birbirlerine bağlı parçacıkların oluşturduğu hava boşlukları ile ayrılmış, açık bir ağdan oluşan oldukça gözenekli nanoyapılı özel bir malzeme olan aerojeller, TİY-temelli sıvı çekirdekli dalgakılavuzları için ideal kaplama malzemeleri olarak öne çıkarlar. Çalışmanın ilk aşamasında, aerojel içinde monolitik ve nano gözenekli yapısını koruyarak TİY-temelli sıvı çekirdekli dalgakılavuzların üretimini sağlayan yeni bir teknik gelişitirilmiştir. Özkütleleri 0.15 g/cm3' den 0.39 g/cm3' e kadar değişien silika aerojeller, alkojellerin Tetraetil Ortosilikat içinde farklı sürelerde yaşlandırılması ve superkritik ektraksiyon işlemleri ile üretilmiştir. Hidrofilik yüzey özelliklerine sahip silika aerojeller, HMDS buharı altında hidrofobik olarak dönüştürülmüştür. Sentezlenmiş aerojellerin düşük kırınım katsayılarını korudukları ve optik kaplama için uygun oldukları gösterilmiştir. Gelişitirilen kanal açma yönteminin literatürdeki diğer yöntemlere nazaran daha uzun kanalların oluşturulmasında elverişli olduğu gösterilmiştir. Düz ve L şeklindeki uzun kanallar (~7.5 cm) monolitik aerojeller içinde, TİY-temelli sıvı çekirdekli verimli dalgakılavuzları oluşturulmuş ve öngörülen ışığın toplam iç yansıma kuramı deneysel olarak gösterilmiştir. Monolitik aerojel içine entegre edilmiş olan TIY-temelli sıvı çekirdekli dalgakılavuzlarının sıvı reaktantlar ile iyi bir örtüşme sağlayarak fotokimyasal reaksiyonların gerçekleştiği ve aerojellerin optofluidik mikro-fotoreaktör olarak çalıştığı gösterilmiştir. Çalışmanın son kısmında, aerojellerin yüksek gözeneklilik ve yüzey alanına sahip üç boyutlu yapısı, fotokatalizör ilavesi için uygun bir ortam sağlamış ve monolitik yapılarına zarar vermeden yüksek oranda fotokatalizör nanoparçaçıklarının yapı içerisine entegre edilebilmesini mümkün kılmıştır. Anataz titanyum dioksit (TiO2) nanoparçacıkları fotokatalizör olarak kullanılmış ve silika aerojellerinin mezo gözenekli ağına aerojel sentezinin sol-jel aşaması sırasında başarıyla dahil edilmiş, ağırlıkça % 1 ile % 50 arasında değişen titanyum dioksit içerikli monolitik SiO2-TiO2 kompozit aerojeller elde edilmiştir. Elde edilen SiO2-TiO2 komposit aerojellerin, ışığın reaktanlar ve kanal duvaralarında gömülü olan fotokatalizör ile iyi bir etkileşim sağlayabildiği ve fotokatalitik mikrofotoreaktörler olarak çalıştığı gösterilmiştir. Fenol'ün kanal duvarlarında immobilize edilmiş fotokatalizörler üzerinde optofluidik dalgaklavuzlar ile kanal boyunca yönlendirilen ışık altında fotokatalitik bozunması model reaksiyon olarak kullanılmıştır. Gelen ışık gücünün, reaktant akış hızının, fotokatalizör ve oksijen miktarının reaktörün performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Deneysel çalışmalara ilaveten, fotokatalitik mikrofotoreaktörlerde ışığın ve reaktantların akış hızının organik bileşiklerin degradasyonuna olan etkisini tanımlayan bir model geliştirilmiş ve deneysel veriler ile karşılaştırılmıştır. Model sonuçları ve deneysel verilerin uyumlu olduğu bulunmuştur. Son olarak, sol-jel metodu ile SiO2-TiO2 matrisine karbon nanotüpler dahil edilerek monolitik kompozitler elde edilmiş ve bunların fotokatalitik bozunma üzerindeki fonksiyonları araştırılmıştır. SiO2-TiO2 komposit aerojellere kıyasla, karbon nanotüplerin SiO2 ve TiO2 ile karıştırılması, daha düşük fotokatalitik performans ile sonuçlanmıştır.