Bor ve azot katkılı TiO2 ince filmlerin fotokatalitik aktivitelerinin incelenmesi

Son yıllarda heterojen fotokataliz hidrojen üretimi, su ve hava arıtma sistemleri ve kendi kendini temizleyen yüzeyler gibi geniş bir uygulama yelpazesinde yoğun olarak çalışılan bir konudur. Titanyum dioksit (TiO2), mor ötesi ışık (UV) ile uyarıldığında yüksek oksidasyon potansiyeline sahip olması, yüksek verimliliği ve nispeten düşük maliyeti gibi avantajları sebebiyle fotokatalitik uygulamalar için en uygun yarı iletkendir. TiO2 fotokatalisti toz halde birçok uygulama için kullanılmasına rağmen, TiO2 ince filmler tozlara göre sahip oldukları avantajları sebebiyle öne çıkmaktadır. TiO2 fotokatalistinin sıvı sistemlerde ince film olarak kullanılması ekstra filtreleme ihtiyacını ortadan kaldırırken tekrar kullanılabilmesine olanak tanır. Ancak TiO2 ince filmlerin tozlara göre yüzey alanlarının düşük olması ve kaplandıkları yüzeyle olası etkileşimleri başlıca problemleridir. TiO2 güçlü bir optik soğurucu olmadığından, cam gibi şeffaf malzemelerin optik özelliklerinden ödün vermeden kaplanabilmelerine olanak tanır. Mimari eğilimler düşünüldüğünde camların hayatımız için ne kadar önemli olduğu ve yüksek binalarda kullanılan camların temizliğinin zorluğu göz önüne alındığında verimliliği yüksek kendi kendini temizleyen camların önemi ortaya çıkmaktadır. TiO2'nin elektromanyetik spektrumunun sınırlı (mor ötesi) bir bölgesini (<387 nm anataz için, % 2-5) soğurabilmesi ve görünür ışık altında fotokatalitik aktivitesinin düşük olması fotokatalistin kullanım alanını kısıtlamaktadır. TiO2'nin optik soğurma sınırında mor ötesi bölgeden görünür bölgeye yapılabilecek küçük bir kayma (red shift-yüksek dalga boylarına kayma), fotokatalistin verimliliğini ve uygulama alanlarını artırabilmektedir. Bu nedenle son yıllarda saf TiO2'nin yapısında çeşitli değişiklikler yapılarak mevcut fotokatalitik aktivitesinin geliştirilmesi konusunda çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmalar genel olarak yüzey alanı ve poroziteyi artırmak gibi yapısal değişimler ve TiO2 yapısına ek bileşenler eklenmesi gibi kimyasal değişimler olarak özetlenebilir. Görünür ışıkta TiO2'nin fotokatalitik aktivitesinin artırılması konusunda pratikte olumlu sonuçları ve potansiyeli sebebiyle fotokatalistin katkılandırılması en fazla kullanılan yöntem iken, yapılan katkılar içinde metal olmayan katkılar en başarılı olan katkılardır. Bu tez çalışmasında, farklı oranlarda B, N ve B-N katkılı TiO2 fotokatalisti sol-jel yöntemi ile toz ve ince film formunda üretilmiştir. İnce filmler daldırarak kaplama yöntemi ile direkt soda-kireç cam altlıklara ve SiO2 ara katman kaplanmış soda kireç cam altlıklara kaplanmıştır. SiO2 ara katman kaplamalar, TiO2'nin ısıl işlemi sırasında altlık malzeme olarak kullanılan soda-kireç camındaki alkali iyonların (Na+) film içine difüze ederek TiO2'nin faz dönüşümünü engellemesini ve fotokatalitik aktivitesini düşürmesini önlemek amacıyla uygulanmıştır. Katkılı ve katkısız TiO2 esaslı çözeltilerden elde edilen jellerin ısıl karakterizasyonları diferansiyel termal analiz cihazı (DTA) ile gerçekleştirilmiştir. Elde edilen DTA sonuçları ışığında, TiO2'nin fotokatalitik aktivitesi en yüksek olan anataz fazının kristalizasyon sıcaklıkları belirlenmiştir. Anataz fazının kristalizasyonu ve altlık malzeme olan camın yapısı göz önünde bulundurularak, fotokatalistlere 500 °C'de 1 saat ısıl işlem uygulanmıştır. Toz haldeki fotokatalistlerin faz karakterizasyonları X-ışınları difraksiyonu (XRD) tekniği ile gerçekleştirilmiştir. İnce filmlerin optik karakterizasyonları UV-Vis Spektrofotometre ile gerçekleştirilmişken, yüzey özellikleri SEM analizi ile incelenmiştir. TiO2 yapısında katkı olarak B ve N'un ayrı ayrı veya eşzamanlı bulunmasının mor ötesi ve görünür ışık fotokatalitik aktivitesine etkisi, organik bir kirlilik olan metilen mavisinin bozunması ile tespit edilmiştir. Metilen mavisinin bozunmasıyla fotokatalitik aktivite kinetik açıdan incelenmiş ve fotokatalistlerin fotokatalitik aktivite hız sabitleri hesaplanmıştır.