Metal nanoparçacik ve yariiletken katkili polimer esasli katalizörlerin hazirlanmasi ve katalitik performanslarinin incelenmesi

Abstract

Tekstil endüstrilerinden sürekli olarak boya ile kirlenmiş atık suların deşarj edilmesi, ciddi çevresel ve sağlık riskleri oluşturmakta olup, etkili atık su arıtma çözümlerine olan ihtiyacı açıkça ortaya koymaktadır. Fotokataliz, ileri oksidasyon süreçleri arasında yer alan önemli bir yöntem olup, yenilenebilir enerji kullanarak kalıcı organik kirleticileri ılımlı koşullar altında parçalayabilme özelliği nedeniyle ilgi görmektedir. Bu çalışmada, organik boyaların güneş ışığıyla parçalanması için yeni polimer–yarı iletken–metal hibrit fotokatalizörler sentezlenmiş ve değerlendirilmiştir. Bir dizi polianilin (PANI) esaslı kompozit fotokatalizör, polimerleşme ortamının katalizörlerin morfolojisi ve performansı üzerindeki etkilerini araştırmak amacıyla monoetilen glikol (MEG) ve dietilen glikol (DEG) poliyol ortamları kullanılarak geliştirilmiştir. Fotogenerasyon yoluyla yük taşıyıcılarının oluşumunu teşvik etmek için çinko oksit (ZnO) nanoparçacıkları sisteme dahil edilirken, yük ayrımını iyileştirmek ve elektron–delik rekombinasyonunu baskılamak amacıyla bakır nanoparçacıkları (CuNP'ler) eşkatalizör olarak eklenmiştir. Her bir bileşenin bireysel ve sinerjik rollerini değerlendirmek üzere hem ikili (PANI/ZnO) hem de üçlü (PANI/ZnO/CuNP'ler) kompozit sistemler sentezlenmiştir Sentezlenen malzemeler; Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), taramalı elektron mikroskobu (SEM), transmisyon elektron mikroskobu (TEM), enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (EDX) ve indüktif eşleşmiş plazma optik emisyon spektroskopisi (ICP-OES) gibi ileri karakterizasyon teknikleri kullanılarak analiz edilmiştir. Bu yöntemler, ZnO ve CuNP'lerin PANI matrisi içerisine entegre edildiği polimer–yarıiletken–metal hibrit yapıların başarıyla oluşturulduğunu doğrulamıştır. ICP-OES analizleri, kompozitlerdeki bakır içeriğini nicel olarak belirlemiş ve farklı sentez yöntemlerine bağlı olarak CuNP'lerin sisteme katılımında belirgin farklılıklar olduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, sentez ortamındaki değişimlerin polimer morfolojisini ve inorganik nanoparçacıkların dağılımını önemli ölçüde etkilediği, bunun da kompozitlerin fotokatalitik performansını doğrudan etkilediği belirlenmiştir. Fotokatalitik performans, güneş ışınımı altında metilen mavisinin bozunması yoluyla değerlendirilmiş ve sonuçlar 664 nm dalga boyunda UV–Görünür bölge spektrofotometrisi kullanılarak izlenmiştir. CuNP'ler ile dekore edilmiş PANI/ZnO üçlü kompozitler, ikili sistemlere kıyasla belirgin şekilde daha yüksek fotokatalitik verim ve kararlılık sergilemiştir. Bu gelişmiş performans; görünür ışık duyarlılaştırıcısı olarak görev yapan PANI, yük üretici yarıiletken olarak işlev gören ZnO ve rekombinasyon kayıplarını azaltmak üzere etkili elektron tuzakları olarak davranan Cu nanoparçacıkları arasındaki sinerjik etkileşimlere atfedilmektedir. Sonuç olarak, bu çalışma poliyol destekli sentez yolları kullanılarak hazırlanan CuNP'ler ile dekore edilmiş PANI/ZnO üçlü fotokatalizörlerde yapı–performans ilişkisini açık bir şekilde ortaya koymakta ve bu malzemelerin güneş enerjisiyle çalışan, verimli ve sürdürülebilir atık su arıtım uygulamaları için güçlü bir potansiyel sunduğunu göstermektedir.The continuous discharge of dye-contaminated effluents from textile industries poses serious environmental and health threats, highlighting the need for effective wastewater treatment solutions. Photocatalysis, a prominent advanced oxidation process, has garnered interest for its ability to decompose persistent organic pollutants under mild conditions using renewable energy. In this study, novel polymer– semiconductor–metal hybrid photocatalysts were synthesized and evaluated for the solar-driven degradation of organic dyes. A series of polyaniline (PANI)-based composite photocatalysts was developed using monoethylene glycol (MEG) and diethylene glycol (DEG) as polyol media to investigate the effects of the polymerization environment on the catalyst morphology and performance. Zinc oxide (ZnO) nanoparticles were incorporated to promote the formation of photogenerated charge carriers. In contrast, copper nanoparticles (CuNPs) were introduced as a co-catalyst to improve charge separation and suppress electron-hole recombination. Both binary (PANI/ZnO) and ternary composite (PANI/ZnO/CuNPs) systems were synthesized to evaluate the individual and synergistic roles of each component. The study characterized synthesized materials using several advanced analytical techniques: FTIR, SEM, TEM, EDX, and ICP-OES. These methods confirmed the creation of polymer–semiconductor–metal hybrid structures, incorporating ZnO and CuNPs within a PANI matrix. ICP-OES quantitatively assessed copper content in these composites, highlighting differences in CuNPs incorporation depending on the distinct synthesis methods. Additionally, changes in the synthesis medium significantly affected the morphology of the polymer and the distribution of inorganic nanoparticles, which subsequently influenced the photocatalytic performance of the composites. Photocatalytic performance was evaluated through the degradation of methylene blue under solar irradiation, with results monitored by UV–Visible spectrophotometry at a wavelength of 664 nm. The CuNPs-decorated PANI/ZnO ternary composites showed significantly higher photocatalytic efficiency and stability compared to binary systems. This improvement is attributed to the synergistic interactions among PANI, functioning as a visible-light photosensitizer; ZnO, acting as a charge-generating semiconductor; and Cu nanoparticles, which serve as effective electron traps to reduce recombination losses. Overall, this study establishes a clear structure–performance relationship in CuNPs- decorated PANI/ZnO ternary photocatalysts synthesized through polyol-assisted routes, demonstrating their strong potential for efficient and sustainable solar-driven wastewater treatment applications.