Görünür ışık duyarlı yeni metal-katkılı TiO2 fotokatalizörlerinin tasarımı ve elektronik yapılarının kuantum mekaniksel yöntemlerle incelenmesi

---

Tezin Türü: Doktora

Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, KİMYA ANABİLİM DALI, Türkiye

Tezin Onay Tarihi: 2022

Tezin Dili: Türkçe

Öğrenci: SERAP KIRCI

Danışman: Arzu Hatipoğlu

Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu

Özet:

TiO2 su ve hava temizliği için ümit verici bir fotokatalisttir, çünkü kimyasal olarak inert, fotodayanıklılığı yüksek, ucuz, toksik olmayan ve yüksek oksidatif güce sahiptir. Bununla birlikte, TiO2 geniş bir bant aralığına (~ 3.2 eV) sahiptir ve sadece UV ışığı ile uyarılabilir, görünür ışık ışıması altında etkisizdir. Bu nedenle, son yıllarda geliştirilen araştırmaların çoğu, pratik uygulamalarda UV ışığından faydalanarak TiO2'nin optik absorpsiyonunu spektrumun görünür bölgesine uzatmaya odaklanmıştır. Bunu başarmanın bir yolu, bant boşluğunu azaltmak için safsızlıkların TiO2 matrisine katılmasıdır. Katkılı katyonların, görünür ışık emilimini indüklediği ve TiO2'nin foto reaktivitesini etkilediği bilinmektedir. Potansiyel dopantlar olarak çok sayıda katyon araştırılmıştır, ancak etkileri için elde edilen sonuçlarda önemli tartışmalar yaratmıştır. Katyon katkılı TiO2 üzerinde yapılan kapsamlı araştırmalara rağmen, katyonların TiO2'nin güneş ışığı altında fotokatalitik aktivitesi üzerindeki etkisine dair birleştirici bir sonuç veya açıklama mevcut değildir. Bu çalışmada, kusurlu olmayan anataz (001) yüzeyi, dopant katyonlarının yerini ve bağlanma durumunu belirlemek amacıyla, anataz kütle yapısından kesilmiş sonlu, nötr, stotometrik küme modelleri ile modellenmiştir. Katkılı modellerde, katyonların yerleştiği bölgeler analiz edilmiştir. Katkılı modellerin yapıları, bir titanyum atomunun bir katyon ile değiştirilmesiyle oluşturulmuştur. Tüm hesaplamalar Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi DFT metodu kullanılarak yapılmıştır. DFT hesaplamaları hibrid B3LYP fonksiyonel tarafından yapılmıştır. 6-31 G (d) temel seti kullanılmıştır. Dopant konumları, en düşük enerji yapılandırmasını bulmak için kümelerdeki konumları değiştirilerek optimize edilmiştir. Tri-, tetra- ve penta- valentation'ların TiO2'nin elektronik yapısı üzerindeki etkisi araştırılmış ve sonuçlar katkılı katyonların, katkılı kümelerdeki beş koordineli titanyum atomunu değiştirmeyi tercih ettiğini göstermiştir. Katyon katkıları toplam enerjiyi azaltarak kararlılığı arttırırlar. Araştırılan katyonların tümü, TiO2'nin bant aralığı enerjisini azaltır, böylece görünür ışık aktivitesini arttırırlar. Aynı zamanda, hem katkılı hem de katkısız TiO2 kümelerinin yüzeyinde su adsorpsiyonunun gerçekleştiği bulunmuştur. Katkısız kümelerin aksine, katyon katkılı kümelerde ayrışma adsorpsiyonu meydana gelir. İncelenen katyonlar arasında Ta+5'in su adsorpsiyonunda en etkili olduğu bulunmuştur.