Ultrafast laser synthesis of nanoporous zeolite a

Zeolitler, mikro gözenekli, kendiliğinden birleşen alüminosilikat nanokristallerdir. Zeolit A, alümina ve silika tetrahedrallerden oluşan kübik birim hücreye ve Na^+, K^+, Ca^2+ gibi ekstra-çerçeve katyonlarına sahip ilk ticari olarak sentezlenen zeolittir. Zeolit A, yüksek gözeneklilik, yüksek yüzey alanı (~ 600 m^2/g), yüksek kimyasal ve termal kararlılık ve yüksek iyon değişim kapasitesi gibi özellikleri nedeniyle literatürde yaygın olarak incelenen bir zeolittir. Tüm bu özellikler, Zeolit A'nın CO_2 adsorpsiyonu, atık su arıtımı, biyosensör uygulamaları vb. gibi çeşitli endüstriyel uygulamalarda kullanılmasını sağlar. Zeolitlerin endüstriyel kullanım alanları geniş olsa da, akademi dünyasında da kapsamlı araştırmalar yapılmaktadır. Bu doğrultuda, çeşitli zeolit sentez yöntemleri geliştirilmiş olsa da, hepsinin kendine özgü sınırlamaları bulunmaktadır. Geleneksel hidrotermal sentez, yüksek kaliteli ayrı kristaller, kullanım kolaylığı, güvenlik ve endüstriyel ölçeklenebilirlik gibi avantajlar sunsa da, çekirdeklenme ve büyüme üzerinde hassas bir kontrolden yoksundur. Bu avantajları, düşük enerjili fotonlar kullanarak kısa bir reaksiyon süresi içinde kusursuz kristaller üretme yeteneğiyle birleştiren bir yöntem henüz geliştirilmemiştir. Bu sorunu ele almak için, ultra hızlı lazer enerji biriktirme yöntemi kullanarak zeolitleri (TPA-silikalit-1, zeolit Y, zeolit A ve hiyerarşik ZSM-5) sentezlemek için yeni bir yöntem sunuyoruz. Bu yaklaşımda, enerji, kristal oluşumunu sağlayan polimerizasyon reaksiyonlarına benzer bir zaman ölçeğinde (femtosaniye-pikosaniye) biriktirilir. Bu tez çalışmasında, nano gözenekli zeolit A'nın sentez mekanizması ve kristal yapısı üzerinde ultra hızlı lazer darbelerinin etkilerini araştırdık. 1040 nm dalga boyunda bir femtosaniye lazer kullanarak, öncül süspansiyonda kontrollü enerji birikimi elde ettik, tekdüzeye yakın boyutlu zeolit A kristalleri için (~260 nm) çoklu foton emilimi ve lazerle indüklenen akışlar yoluyla reaksiyonu hızlandırdık. Kontrollü enerji birikimi sayesinde, bu yöntem, geleneksel hidrotermal yöntemle sentezlenen kristallere kıyasla yüksek kristal yapıya (%90-100) ve daha dar bir parçacık boyutu dağılımına sahip Zeolit A'nın hızlı kristalleşmesini sağlar. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Enerji Dağıtıcı X-Işını Spektroskopisi (EDXS), X-Işını Kırınımı (XRD), Yüksek Çözünürlüklü Geçirgen Elektron Mikroskobu (HR-TEM), Seçilmiş Alan Elektron Kırınımı (SAED), Termo-gravimetrik Analiz (TGA), Brauener-Emmet-Teller (BET) ve Fourier Dönüşümlü Kızılötesi (FTIR) Spektroskopisi dahil olmak üzere kapsamlı karakterizasyonlar, lazerle sentezlenen zeolitlerin geleneksel olarak sentezlenen muadilleriyle karşılaştırılabilir yapısal bütünlük ve kaliteye sahip olduğunu ortaya koydu. Ayrıca, ultra hızlı lazer sentez yöntemiyle sentezlenen Zeolit A'nın gaz yakalama performansını ve pratik uygulanabilirliğini değerlendirmek için CO_2 adsorpsiyon kapasitesi analizi gerçekleştirilmiştir. Ultra hızlı lazer sentez yöntemi, çeşitli karakterizasyonlara olanak sağlamak için 80'den fazla kez başarıyla tekrarlanmıştır. Bu yeni teknik, yapısal ve işlevsel özellikler üzerinde hassas kontrol sağlayan zeolitlerin sentezlenmesine hızlı ve alternatif bir yaklaşım sunmaktadır.