Saf ve nano-katkılı TiO2 filmlerin üretimi ve karakterizasyonu

Bir yarı iletken olan titanyum dioksit (TiO2), sadece ultraviyole (UV) ışığı ile aktive edilebilen bir fotokatalisttir. Ancak UV ışığı, elektromanyetik spektrumun sınırlı bir aralığını kapsamaktadır. Bu sınırlı aralık TiO2' nin pratik uygulamalardaki kullanımını kısıtlamaktadır. Bu kısıtlamanın önüne geçmek için atılacak rasyonel adımlardan ilki, TiO2' nin aktive olduğu elektromanyetik spektrum aralığını genişletmektir. Bu bağlamda uygulanan stratejilerin en başında katkılandırma işlemi gelmektedir. Mevcut tez çalışmasında, saf ve yapısında ağırlıkça % 32 oranında grafen bulunan çok katmanlı karbon nanotüp (ÇKKNT-ağ.%32G) katkılı TiO2 filmlerin sol-jel yöntemiyle soda-kireç-silis (SLS) cam alttaşlar üzerine kaplanması, elde edilen kompozit filmlerin kristalografik, morfolojik, fotokatalitik, optik ve yüzey özelliklerinin sistematik ve kapsamlı olarak araştırılması amaçlanmıştır. Literatüre göre TiO2' nin en üstün fotokatalitik özellikler gösterdiği anataz fazı ısıl işlem esnasında oluşurken, SLS camın yapısında bulunan sodyum, kalsiyum gibi alkaliler film kaplamaların içerisine göç ederek kristalizasyonu olumsuz yönde etkilemektedir. Bu durumun önüne geçmek için TiO2 filmler oluşturulmadan önce SLS cam yüzeyleri silisyum dioksit (SiO2) ile kaplanarak anataz fazının oluşum süreci optimize edilmiştir. Sol-jel yöntemiyle yüzey aktif madde kullanılmadan hazırlanan saf ve altı farklı konsantrasyonda (% 0.025, % 0.05, % 0.1, % 0.2, % 0.3, % 0.4) katkılandırılmış TiO2 filmler, SiO2 kaplı SLS alttaşlar üzerine daldırma yöntemiyle kaplanmış, anataz fazının oluşumu için 500oC sıcaklıkta 1 saat ısıl işlem görmüştür. Elde edilen saf ve ÇKKNT-ağ.%32G katkılı TiO2 filmlerin faz analizleri X-ışını difraksiyonu (XRD) ve Raman spektroskopi yöntemleri ile kimyasal yapı analizi X-ışını fotoelektron spektrometresi (XPS) yöntemi ile belirlenmiştir. ÇKKNT-ağ.%32G/TiO2 sollerinin kurutulmasıyla elde edilen tozların yüzey alanı ölçümünde ise Branauer-Emmett-Teller (BET) yöntemi kullanılmıştır. Morfolojik analizler ise taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve geçirimli elektron mikroskobu (TEM) ile gerçekleştirilmiştir. Filmlerin pürüzlülüğü ve yüzey topografileri atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ile incelenmiştir. Yine film yüzeylerinin ıslanabilirliği su temas açısı (WCA) doğrultusunda optik tensiyometre cihazı ile ölçülmüştür. Optik özellikler ultraviyole-görünür (UV-vis) ışık spektrofotometresi yardımıyla belirlenirken yasak bant aralıkları Tauc grafiği yöntemiyle hesaplanmıştır. Fotokatalitik aktivite araştırmalarında ise ISO 10678:2010 standartı kullanılarak metilen mavisinin (MB) degredasyonu üzerinden tespitlerde bulunulmuştur. XRD analizi ile saf ve ÇKKNT-ağ.%32G katkılı TiO2 film kaplamalar için seçilen 500o C' nin SLS cam alttaşı deformasyona uğratmadan anataz fazını oluşturan optimum sıcaklık olduğu tespit edilmiştir. Yine XPS analizi ile numune yüzeyinde bulunan ana elementlerin titanyum, oksijen ve karbon olduğu belirlenmiş, bağlanma enerjileri ve spin yörünge yerleşimlerinden kimyasal hali tespit edilmiştir. Buna ek olarak Raman analizi ile anataz TiO2' ye ait aktif mod bantları ilgili dalga boylarında büyük bir netlikle gözlemlenirken ÇKKNT-ağ.%32G katkısına ait mod bantları katkı oranı arttıkça belirginleşmiştir. Saf ve ÇKKNT-ağ.%32G katkılı TiO2 film kaplamaların yüzeylerine ait SEM görüntüleri karşılaştırıldığında, tüm kaplamaların genel olarak homojen olduğu gözlenmiştir. ÇKKNT-ağ.%32G katkılı TiO2 tozlarına ait çeşitli büyütmelerde alınan TEM aydınlık alan görüntüleri ile TiO2 partiküllerinin ÇKKNT-ağ.%32G nano-partiküllerinin etrafında kümelendiği, ÇKKNT-ağ.%32G nano partiküllerinin ise bu küme içinde yatay düzlemde dağınık bir yerleşim gösterdiği tespit edilmiştir. (101) kristal düzlemine sahip anataz fazının varlığı ise yine TEM analizine ait hızlı Fourier dönüşümü (FFT) ve ters hızlı Fourier dönüşümü (IFFT) görüntüleri ile hesaplanmıştır. ÇKKNT-ağ.%32G/TiO2 xerojellerinin BET analizine göre, katkı oranı artıkça yüzey alanının da arttığı belirlenmiştir. Saf ve ÇKKNT-ağ.%32G katkılı TiO2 film numunelerinin AFM analizine göre ÇKKNT-ağ.%32G katkısının bir boşluk doldurucu misyonunu üstlenerek yüzeyde TiO2' nin boşluklarını doldurduğu gözlenmiştir. WCA hesaplamalarından elde edilen sonuçlara göre kaplanmış tüm yüzeyler kaplanmamış SLS cam alttaş yüzeye göre daha fazla hidrofilik davranış göstermiştir. Tüm yüzeylerin temas açısı AFM analizinden elde edilen pürüzlülük değerleriyle uyumluluk göstermiştir. Kaplamalı yüzeylere uygulanan 1 saatlik UV ışımasından sonra da yine tüm yüzeylerde temas açısı azalarak beklenen süperhidrofilik özelliğini sürdürmüştür. UV-vis ışık spektrofotometresi analizlerine göre görünür bölgede tüm katkı oranlarındaki geçirgenlik değeri saf TiO2' nin geçirgenlik değerinin üstünde kalmıştır. Absorbans değeri de hem UV bölgede hem de görünür bölgede katkı oranı arttıkça artış göstermiştir. Tauc grafikleriyle ise yasak bant aralığı enerjisinin katkı oranı arttıkça azalma gösterdiği hesaplanmıştır. Saf ve ÇKKNT-ağ.%32G katkılı TiO2 film numunelerinin fotokatalitik aktivite davranışları sulu ortamda MB degradasyonu çerçevesinde incelendiğinde saf TiO2 film kaplama ve % 0.1 - % 0.2 -% 0.3 - % 0.4 katkı oranına sahip ÇKKNT ağ.%32G/TiO2 film kaplamaların fotonik verim eşiğini geçtiği gözlenmiştir.