Visible light-active non-metal doped titanium dioxide materials for photocatalytic oxidation

Daha iyi bir insan hayatı için en önemli teknolojilerden biri çevre kirliliğinin engellenmesidir. Titanyum dioksit, güçlü oksidasyon yetkinliği, düşük maliyeti, zehirsiz olması, yüksek yapısal kararlılığı ve kolay erişilebilmesi gibi özelliklerinden dolayı hava ve su arıtma sistemlerinin göz bebeği haline gelmiştir. Ancak, geniş elektronik bant aralığına sahip olmasından dolayı, titanyum dioksit sadece güneş ışığının %3'ünü oluşturan UV ışığını soğurabilmektedir. Bu malzemenin güneş ışığını kullanabilmesi, çevre arıtımı için gereken işletim maliyetini oldukça düşürecektir. Bu yüzden, titanyum dioksiti güneş spektrumunun büyük bir parçasını kullanabilmesi için görünür ışık aktif malzemelere dönüştürmek önemli bir hedef haline gelmiştir. Bu çalışmada, görünür ışık ile aktifleşen titanyum dioksit tozlarının hazırlanması amacıyla çeşitli ametal bileşiklerinin titanyum dioksit sol-jel sentez protokolüne eklenmesi incelenmiştir. Bu çalışma bir ön çalışma olup, hedeflerinden en önemlisi, daha önce çalışılan UV aktif titanyum dioksit tozları ile birleştirilerek; özel tasarım bir hava arıtım teknolojisi için, UV ve VIS aktif ikili (eşlenik) sistemlerde kullanılmasıdır. Bu sebeple, mevcut çalışmada iki temel fotokatalizör ailesi sentezlenerek, yapısal ve fotokatalitik performans özellikleri incelenmiştir. İlk grup numuneler, titanyumun ametal bileşikleri olan TiC, TiN ve TiS2'ün sol-jel yöntemine eklenmesi ile hazırlanmıştır. Katkı atomun titanyuma olan mol oranı 0.1:1 olarak belirlenmiş ve sentezlenen tozlar XRD, Raman spektroskopisi, BET ve UV-VIS DR spektroskopisi ile karakterize edilmiş ve kalsinasyon sıcaklığı, yüzey alanı ve elektronik bant aralığının fotokatalitik aktiviteye olan etkisi araştırılmıştır. Sol-jel yöntemine ek olarak, sol-jel yönteminde katkı olarak kullanılan TiC, TiN ve TiS2 tozların, ayrıca havaya açık fırında tavlanmasıyla, kısmi olarak yükseltgenmiş fotokatalitik malzemeler de elde edilmiştir. İkinci olarak, farklı bir sol-jel yöntemiyle, borik asit, dietanolamin, trietilamin, tiyoüre, üre ve siklohekzanol gibi ucuz ametal bileşikleri ile katkılandırılmış titanyum dioksit türleri sentezlenmiştir. Hesaplama kolaylığından ötürü eklenen katkı bileşiğinin titanyum dioksite olan mol oranı, 0.5:1 olarak belirlenmiştir. Aynı karakterizasyon metodları, aynı parametrelerin fotokatalitik aktiviteye olan etkisini incelemek amacıyla kullanılmıştır. Fotokatalitik aktivite ölçümleri, tasarımı ve kurulumu mevcut çalışma çerevesinde gerçekleştirilen, görünür ışık aydınlatmalı, özel-tasarım fotokatalitik reaksiyon hücrelerinde, sıvı fazda organik bir kirletici olan Rhodamine B boyasının bozunması kullanılarak yapılmıştır. Bütün malzemelerin fotokatalitik performanslar, ticari Degussa P25 referans katalizör ile karşılaştırılmıştır. Fotokatalitik performans testleri, katkılandırılmış titanyum dioksit malzemelerinin, saf titanyum dioksit malzemesinden daha iyi görünür ışık aktivitesine sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca, bazı malzemelerin performansının Degussa P25'den bile daha iyi olduğu görülmüştür. Karakterizasyon yöntemleri anataz fazından rutil fazına geçişte katkı atomlarından dolayı bir gecikme olduğunu göstermiştir. Buna ek olarak, elektronik bant aralığı değerinin küçük olmasının, görünür ışık aktivitesi için önemli olsa da, bunun bir zorunluluk olmadığı; fotokatalitik aktiviteyi etkileyen başka bir çok önemli parametrenin (parçacık boyutu, yüzey alanı, kristalinite, aktif fasetler, oksijen boşlukları vb.) de varlığı saptanmıştır. Anahtar Kelimeler: TiO2, Heterojen Kütle Katkılandırması, Sol-Jel, Ametal Bileşikler, Görünür Işık, Fotokatalitik Oksidasyon