Siyah fosfor-asimetrik ftalosiyaninin hibrit fotokatalizörleri: akılcı tasarım, sentez ve görünür ışık aydınlatmasında fotokataliz uygulamaları


Eken Korkut S. (Yürütücü)

TÜBİTAK Projesi, 2021 - 2022

  • Proje Türü: TÜBİTAK Projesi
  • Başlama Tarihi: Ekim 2021
  • Bitiş Tarihi: Ekim 2022

Proje Özeti

Hızla artan dünya nüfusu ve buna bağlı olarak artan endüstriyelleşme nedeniyle, farmasötikler ve organik boyalar gibi kimyasalların neden olduğu su kirliliği her geçen gün artmakta ve insan sağlığına ve çevreye karşı ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Bu tür kimyasal maddelerin çok düşük miktarları bile (1ppm’nin altında) suları ciddi bir şekilde kirletmektedir. Bu nedenle bu tür kimyasalların atık sulardan uzaklaştırılması insan ve deniz su canlıları sağlığı açısından hayati önemlidir. Reaktif oksijen türlerinin (O2-, OH• vb) oluşumunu içeren ileri oksidasyon prosesleri (İOP), atık sulardan çok çeşitli organik kirleticilerin uzaklaştırılmasında yüksek etkinlik gösterdiği için diğer su arıtma yöntemleri arasında en ümit verici teknoloji olarak ortaya çıkmaktadır. Fakat İOP proseslerinde genellikle hidrojen peroksit (H2O2) ve ozon (O3) gibi kimyasallar aşırı miktarlarda kullanılmaktadır. Bu tür kimyasalların kullanımının getirdiği maliyet yükü, düşük boya giderimi ve oluşan yan ürünler sürdürülebilir kimya açısından uygun olmadığından, etkinliği yüksek yeni İOP proseslerinin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu bağlamda son yıllarda güneş enerjisinin doğrudan kimyasal enerjiye dönüştürülmesine imkân sağlayan fotokatalitik İOP süreçler, atık sulardan organik kirleticilerin gideriminde kullanılmaya başlanmıştır. Fotokatalitik bir proses yardımı ile, geleneksel yollar ile sudan uzaklaştırılamayan kirleticilerin etkin giderimi sağlanabilir. Fotokatalitik İOP süreçlerinin etkinliğini etkileyen en önemli faktör fotokatalizör seçimidir. Bu bağlamda son yıllarda heterojen fotokatalizörler, hava ve sudan organik kirleticiler dahil olmak üzere çok çeşitli atıkların uzaklaştırılması için etkili olduğu ve geleneksel atık su arıtma tekniklerine göre birçok avantaj sağladığı gösterilmiştir. Son yıllarda grafitik karbon nitrür (g-CN), molibden disülfür (MoS2), tungsten oksit (WO3) ve bizmut oksit (Bi2O3) gibi iki boyutlu (2D) malzemeler heterojen fotokatalizör olarak fotokatalitik atık su gideriminde kullanılmaktadır. Yakın bir zamanda ise 2D malzemeler dünyasının parlayan yıldızı olarak gösterilen siyah fosfor (SF), görünür bölgeden infrared bölgeye kadar geniş bir spektrumda ışık soğurabilme yeteneği, tabaka sayısına bağlı ayarlanabilir geniş bant aralığı (0,3 eV-2,1 eV), eşsiz iki 2D tabaka yapısı, yüksek yük taşıyıcı hareketliliği ve anizotropik özellikleri sayesinde birçok alanda heterojen fotokatalizör olarak kullanılmaya başlanmıştır. Ancak SF’nin metal içermeyen yarıiletken malzeme olarak sergilediği bu olağanüstü özelliklerinin yanı sıra foton ile uyarılması yolu ile elde edilmiş yük taşıyıcılarının hızlı rekombinasyonu ve SF nanotabakalarının açık hava koşullarında düşük kararlılığı gibi yaşadığı sorunlar fotokataliz uygulamalarını sınırlamaktadır. Bu sorunlar SF’nin kovalent olarak fonksiyonelleştirilmesi ve fonksiyonel gruplara kovalent olarak foto duyarlılaştırıcı moleküllerin takılması yolu ile giderebilir.  

On sekiz π-elektron konjuge sistemine sahip aromatik makrosiklik bileşiklerden biri olan ftalosiyaninler (Pc); son yıllarda hem temel hem de uygulamalı bilim için üzerinde önemle durulan konulardan biri haline gelmiştir. Tamamen sentetik olup boyar madde, pigment, sensör, fotoalgılayıcı, sıvı kristal ve katalizör olarak çok fazla uygulaması bulunmaktadır. Ftalosiyaninler, düşük maliyetleri ve yüksek verimlilikleri nedeniyle güneş enerjisi dönüşümünde duyarlılaştırıcı olarak çok ilgi görmektedir. Ucuz olmalarının yanı sıra görünür ışığı oldukça verimli bir şekilde kimyasal enerjiye dönüştürür. Çünkü Soret (B) (350-400 nm) ve Q bant (650-800 nm π-π* geçişi) bölgesinde şiddetli ve kararlı ışık soğurumu yaparlar. Bu nedenle fonksiyonelleştirilen SF’ye görünür bölgede ışık soğurma yeteneği yüksek ftalosiyanin moleküllerinin kovalent olarak tutturulması ile elde edilecek SF-ZnPc hibrit yapılarının, SF ile Pc molekülleri arasında gerçekleşecek elektronik etkileşimler sayesinde atık sulardan antibiyotiklerin ve organik boyaların gideriminde etkinliği ve kararlılığı yüksek fotokatalizörler geliştirileceği öngörülmektedir. Geliştirilecek hibrit yapılar ile ışık soğurulması artırılmış SF-temelli daha etkin fotokatalizörlerin geliştirilmesi projemizin nihai hedefidir.

Bu projede, oksi- ve sülfanil- gruplarından oluşan görünür bölgede ışık soğurabilen monokarboksilik asit sübstitüentli iki tane asimetrik çinko ftalosiyanin (ZnPc) bileşiği sentezlenecektir. Diğer taraftan sentezlenen SF kristalleri n-butil lityum ve 4-nitroarildiazonyum tuzunu içeren bir metot ile yüzeylerinde amin grupları olacak şekilde fonksiyonelleştirilecektir. Daha sonra sentezlenen ZnPc bileşiklerinin karboksilik uçları ile fonksiyonelleştirilen SF’nin yüzeyinde bulunan amin grupları amid bağı oluşumu ile birleştirilerek, SF-ZnPc hibrit fotokatalizörleri oluşturulacaktır. Elde edilen SF-ZnPc hibrit fotokatalizörlerinin yapısal ve fotofiziksel özellikleri ileri analitik teknikler ile ortaya konulacaktır. SF-ZnPc hibrit fotokatalizörlerinin sulu çözeltiden antibiyotiklerin (tetrasiklin ve klorpromazin hidroklorür) ve organik boyaların (Rodamin B ve metilen mavisi) görünür bölge ışığı altında gideriminde katalitik etkinlikleri incelenecektir. Sunulan proje hem sentezi gerçekleştirilecek SF-ZnPc hibrit fotokatalizörleri hem de bu fotokatalizörler varlığında sulu çözeltiden antibiyotiklerin ve organik boyaların fotokatalitik giderimi açısından özgündür.