Quantum dot functionalized titania systems for photocatalytic oxidative NOx storage

Endüstriyel yanma sistemlerindeki artış, volkanik patlamalar, tarım faaliyetleri, durağan ya da mobil fosil ve biyoyakıt tüketimi, oldukça toksik olan NOx gazlarının oluşumunun temel nedenleri olarak bilinmektedir. Bu gazların ekosistem üzerinde doğrudan neden olduğu zararlarının yanı sıra, asit yağmurları ve troposferik ozon gibi ikincil hava kirliliği kaynaklarının oluşumuna da neden oldukları bilinmektedir. Bu gazların atmosferdeki yoğunluklarının azaltılması için termal katalitik sistemler ya da fiziksel/kimyasal adsorpsiyon sistemler halihazırda kullanılmaktadır. Bunların yanı sıra, çevreye dost, düşük maliyetli ve sürdürülebilir alternatif fotokatalitik sistemler tasarlanarak, halihazırda kolaylıkla ulaşılabilen güneş enerjisinden faydalanılabilir. Bahsedilen fotokatalitik sistemlerde, en yaygın olarak kullanılan malzeme, titanya olup, 3.0-3.2 eV aralığında oldukça geniş bir enerji bant aralığına sahiptir. Bu geniş bant aralığı nedeniyle, titanya çoğunlukla UV ışıması altında aktifleştirilebilir. Güneş enerjisinin dağılımı göz önünde bulundurulduğunda, ultraviyole ışınları görünür ışığın sadece beşte birine karşılık gelmektedir. Titanyanın güneş enerjisinden daha fazla faydalanabilmesini sağlamak için, görünür dalga boylarını da soğurmasını sağlamak gerekmektedir. Titanyanın ametal elementlerle dopingi bu artışa yardımcı olsa da, son zamanlarda nano boyutlu yarı iletken malzemelerin (kuantum noktacıklar) kullanımı da oldukça önem kazanmıştır. Kuantum noktacıkların soğurduğu dalga boyları, parçacıkların boyutlarıyla oynanarak değiştirilebilmektedir. Ayrıca, kuantum noktacıklar soğurdukları fotonlar sayesinde elektron-boşluk ayrımı yaparak, fotokatalitik süreçte rol oynayabilirler. Bu çalışmada, direkt-bant aralığına sahip CdTe kuantum noktacıkları kullanılmıştır. CdTe kuantum noktacıklarının iletim bandı titanyanınkinden yukarıda olduğu için, CdTe iletim bandında oluşturulan elektronlar, titanyanın iletim bandına rahatlıkla akabilir. Böylelikle, oluşturulan elektron-boşluk çiftinin ayrımının daha uzun süreli ve efektif olması sağlanabilmektedir. Kullanılan kuantum noktacıklarının bant aralığı görünür ışıkla uyumlu olduğu için, titanyanın görünür ışık altındaki fotokatalitik aktivitesi de artırılabilir. QD ile işlevselleştirilen titanya sistemleri, üzerinde yürütülen fotokatalitik aktivite çalışmaları, oldukça yüksek NOx depolama özellikleri göstermiş olup, P25 referans titanya katalizörüne göre, NO gazının katalitik dönüşümünü de artırmıştır. Ayrıca, sunulan fotokatalizör sisteminin mekanizmasını aydınlatabilmek için farklı referans malzemeler de hazırlanmıştır. Ölçümlerde elde edilen bulgular, ilgi çekici fotokatalitik aktivite ve seçicilik sonuçları göstermiştir. Katalitik mimarideki her yapı taşının etkisi incelenmiştir. Kuantum noktaların içinde bulunduğu suyun ve etrafını saran ligand merkapto asetik asidin etkileri incelendiğinde, titanya yüzeyine tutundurulan suyun hem fotokatalitik aktiviteyi hem de seçiciliği artırdığı görülmüştür. Merkapto asetik asit ise titanya aktivitesinde düşüşe neden olurken, seçiciliği artırmıştır. Son kontrol deneyinde, bu sistemde fotokatalitik aktivite göstermeyen alümina, titanya yerine kullanılmıştır. Bu deneyler sonucunda, CdTe kuantum noktalarının bulunmadığı hiçbir sistemde katalitik ya da katalitik olmayan bir aktivite gözlemlenememiştir. Bu çalışma, CdTe kuantum noktalarının, titanyanın fotokatalitik aktivitesini ve seçiciliğini artırdığını göstermiştir. Fakat, oluşturulan sistemin katalitik ömrü kısadır.