Gözenekli bazı nano malzemelerin akışkan (gaz/sıvı) depolama potansiyelleri üzerine AR-GE çalışmaları

Bu tez çalışmasında, günümüzün önemli ihtiyaçlarından biri olan enerji depolamaya ve çevre kirliliği sorunlarına çözüm olma potansiyeline sahip, gözenekli doğal ve yapay nano malzemelerde akışkanların depolanması konusu çalışılmıştır. Kazakistan Maitobinsky bölgesinden çıkarılan doğal zeolit çeşitleri, ülkemizde yetişen tavuk, deve kuşu ve güvercin yumurtalarının kabukları ile, 410-450-500 oC sıcaklıklarda kimyasal yollarla sentezlenen, mikro ve nano ölçekli büyüklüklere sahip gözenekli metal oksit malzemeler (SiO₂, TiO₂, MnO₂ ve CeO₂) bu tez çalışması kapsamında incelenmiştir. Sentez sıcaklığı farklılıklarının metal oksit nano yapılar üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Örneklerin, ilk aşamada nano morfolojileri belirlenmiş, ardından akışkan depolama için uygun morfolojilere sahip olanların, H2, CO2, N2 ve H2O tutma potansiyelleri incelenmiştir. Analizler sonucunda, incelenen malzemelerin, 1-3B basit morfolojilerinin yanında; çekirdek-kabuk, fraktal, eliptik silidir gibi karmaşık yapı modellerine sahip olabildikleri gösterilmiştir. Bu çalışmalar, odaklanılan gözenekli malzemelerin; küresel ısınmanın baş nedenlerinden olan metanı, çevre kirliliğinde önemli rol oynayan karbon temelli gazları, içme sularında karşılaşılan toksik kimyasalları (arsenik, cıva, krom, kurşun, siyanür, nikel vb.), tutma ve depolama özelliklerine sahip olabileceklerine işaret etmektedir. Ayrıca, bu malzemelerin enerji depolama amaçlı olarak da kullanılabilecekleri ve hidrojen depolama özelliklerinin var olduğu bu tez kapsamında yapılan çalışmalar ile gösterilmiştir. Bu bağlamda çalışılan malzemelerin akışkan tutma özellikleri, literatürde ilk kez elektron yoğunluğu farkına kadar hassas yapısal bulgular barındıracak şekilde, X-Işını saçılma (SAXS: Küçük Açı X-Işını Saçılması ve WAXS: Geniş Açı X-Işını Saçılması) yöntemleri ile ağırlıklı olarak belirlenmiştir. Gözenekli yapılarda depolanan akışkan miktarları, gözenek elektron yoğunluğu farkı-yüzey alanı değişimleri ile ilişkilendirilmiş ve üç boyutlu olarak ab-initio yöntemler ile görselleştirilmiştir. SAXS yöntemi ile, literatürde ilk kez bu çalışmada malzemelerin akışkan depolama potansiyelleri, jirasyon yarıçapları mertebesinde belirlenmiştir. Buna göre, klinoptilolit yapıda olduğu belirlenen doğal zeolitin hacimce en fazla % 17,2 azot, %7,1 hidrojen ve %20,7 su tutma potansiyeli olduğu sonucunda varılmıştır. Yumurta kabukları da benzer şekilde incelendiğinde, tavuk, güvercin ve deve kuşu yumurtası kabuklarının sırasıyla hacimce en fazla hidrojen tutma potansiyellerinin % 24,0 % 20,3 ve % 16,9 olduğu anlaşılmıştır. Metal oksitlerden 410-500°C 'de sentezlenen TiO₂'lere odaklanılmış ve CO₂, H₂, su buharı depolama potansiyelleri olduğu sonucuna varılmıştır. Hidrojen depolama potansiyeli en fazla bulunan örnek ise hacimce % 24,9 ile 410 °C'de sentezlenen TiO₂ olmuştur. Bu bulgular Fourier Dönüşümlü Kırmızı Altı (FTIR) spektrometresi ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ölçümleri ile de moleküler ve mikroskobik ölçekte desteklenmiştir. Bu çalışmalar sonucunda, SAXS ve WAXS yöntemleri kullanılarak eş zamanlı incelen örneklerin endüstriyel uygulamalar için yapısal yoğunluk dalgalanmaları takip edilebilmiştir. Ayrıca bu yöntemle, malzemelerin üretiminde ve kullanım öncesinde standardizasyon ve kalite çalışmalarının da yapılabileceği vurgulanmıştır.