HYDROTERMAL YÖNTEMİYLE NİKEL FERRİT NANOPARTİKÜLLERİN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU

Transkript

1 ÖZET HYDROTERMAL YÖNTEMİYLE NİKEL FERRİT NANOPARTİKÜLLERİN SENTEZİ VE KARAKTERİZASYONU Zeynep KARCIOĞLU KARAKAŞ a,*, Recep BONCUKÇUOĞLU a, İbrahim H. KARAKAŞ b a Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Erzurum b Bayburt Üniversitesi, Bayburt Meslek Yüksekokulu, Bayburt * Sorumlu Yazar: kzeynep@atauni.edu.tr Nano partiküller, ortalama tanecik büyüklüğü nm arasında olan parçacıklara denir. Nano partikül ferritler ise nano boyutta tanecik büyüklüğüne ve yapısına sahip metalik malzemelerdir. Partikülerin ortalama tanecik büyüklüğü nano boyuta indirgendiğinde bu malzemelerin fiziksel ve kimyasal özelliklerinde büyük değişikliklere sebep olmaktadır. Bu malzemelerin birçok özellikleri genellikle taneciklerin boyutuna bağlı olarak değişiklikler göstermektedir. Ayrıca partiküllerin içerisinde sentezlendiği organik matris ve sentez yöntemi, nano partiküllerin fiziksel ve kimyasal özellikleri üzerinde oldukça etkili olan diğer önemli unsurlardır. Bu çalışma kapsamında Hydrotermal yöntemiyle nikel ferrit nano partiküller sentezlenmiş ve bu partiküllerin karakterizasyonu için XRD ve TEM analizleri yapılmıştır. Nanopartiküllerin ortalama tane çapı Scherrer eşitliği kullanılarak hesaplanmış ve 40 nm olarak bulunmuştur. Anahtar Kelimeler: Nanopartikül, nikel ferrit, hydrotermal metodu 1.GİRİŞ Nano boyutta malzemeleri sentezlenme yöntemi, malzemelerin yapısal ve manyetik özellikleri üzerinde en etkili parametrelerden birisidir. Sentez için seçilen yöntem, sentezlenecek maddenin türüne göre de değişiklik göstermektedir. Sentez yöntemi, sentez için kullanılan kimyasal maddeler, homojen dağılım ve oksit tozlarının reaksiyona girebilmeleri gibi önemli parametreler, nano boyutlu malzemelerin istenilen standartlarda elde edilebilmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Daha sağlam, daha kaliteli, daha uzun ömürlü ve daha ucuz, daha hafif, daha küçük cihazlar geliştirme isteği birçok iş kolunda gözlenen eğilimlerdir. Minyatürleşme olarak tanımlanabilecek bu eğilim birçok mühendislik çalışmasının temelini oluşturmaktadır. Minyatürleşme sadece kullanılan parçaların daha az yer kaplamasından çok daha önemli getirileri vardır. Minyatürleşme üretimde daha az malzeme, daha az enerji, daha ucuz ve kolay nakliye, daha çok fonksiyon ve kullanımda kolaylık olarak uygulamada kendini göstermektedir.20. yüzyılın ikinci yarısından itibaren birçok endüstride kullanılan toleranslar sürekli iyileştirilmiş, üstün kalite anlayışı geliştirilmiştir. Mikro teknoloji ürünü olarak tanımlayabileceğimiz parçalar otomobil, elektronik, iletişim gibi sektörlerde yaygın olarak kullanılır olmuştur. Günümüzde ise mikro teknolojilerden daha çok nano teknolojinin, kullanımını yaygınlaşmaktadır. Nano teknoloji sayesinde sanayide, bilişim teknolojilerinde, sağlık sektöründe ve daha birçok alanda yeni ürünler geliştirilecek, günümüzün üretim süreçleri ve yöntemleri değişecektir. Bu teknolojiye yatırım yapılan ülkelerde ekonomik değerler yaratılacak ve toplumların yaşam kalitesi gelişecektir. 1

2 Nano teknolojinin gelecekte birçok uygulama alanlarına sahip olacağı düşünülmektedir. Bu uygulama alanları Malzeme ve İmalat Sektörü, Nano Elektronik ve Bilgisayar Teknolojileri, Tıp ve Sağlık Sektörü, Havacılık ve Uzay Araştırmaları, Çevre ve Enerji, Bioteknoloji ve Tarım, Savunma Sektörüdür. Bu çalışmada Hidrotermal yöntem ile NiFe 2 O 4 nano parçacıkların sentezlenmesi amaçlanmaktadır. Bu denemelerde, gerçekleşen kimyasal reaksiyonlarda tam dönüşümün sağlanması ve sonuçta da oldukça yüksek saflıkta, minimum tane boyutuna ve düzenli bir kristal yapıya sahip olan partiküllerin sentezlenmesi hedeflenmiştir. Buna göre bu şartlarda optimum üretim şartlarının belirlenebilmesi için çeşitli denemeler yapılmış ve elde edilen ürünler XRD, SEM ve TEM analizleri ile karakterize edilmiştir. 2. DENEYSEL YÖNTEM 2.1. Hidrotermal Yöntemiyle ile NiFe 2 O 4 Nano partiküllerin Sentezi Bu denemeler paslanmaz çelikten yapılmış ve içerisinde teflondan imal edilmiş 50 ml hacminde kapalı bir hücre içeren reaktörde gerçekleştirilmiştir. Denemelerde nikel nitrat hegza hidrat ve demir (II) nitrat nona hidrat ihtiva eden çözeltiler hazırlanmış ve belirli bir stokiometriyi sağlayacak şekilde karıştırılmıştır. Karışımın üzerine belirli miktarda PEG 600 ilave edilmiştir. Hazırlanan çözeltinin ph sı 5 N lik NaOH çözeltisi ile istenilen ph değerlerine ayarlanmıştır. Hazırlanan karışım çelik kaplı teflon otoklav içerisinde farklı sıcaklıklarda 24 saat süreyle reaksiyona tabi tutulmuştur. Otoklavdan alınan karşım alkol ve su ile yıkanmıştır. Elde edilen katı madde etüvde kurutulmuştur. Elde edilen toz örneklerde karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. 3. ARAŞTIRMA BULGULARI 3.1. XRD Analizleri NiFe 2 O 4 nanopartiküllerin sentezi için yüksek ph değerlerinde çalışılması daha uygundur. Bu amaçla, ph değeri sodyum hidroksit çözeltisi ile 11 e ayarlanmış olan çözelti çelik reaktöre alınarak, 24 saat süreyle 200 o C sıcaklıktaki bir etüvde bekletilmiştir. Reaksiyon süresinin sonunda reaktör içeriği santifirüjlenerek kahverengi renkli katı kısım ayrılmıştır. Bu katı 2 defa saf su ile ve daha sonra da 2 defa etil alkol ile yıkanmıştır. Son katı 105 oc sıcaklıkta 8 saat kurutulmuştur. Bu örnekte XRD analizi yapılmıştır. Bu örnek için elde edilen X-Ray Difraktogramı şekil 1 de verilmiştir. 2

3 Intensity (counts) Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 2012, Koç Üniversitesi, İstanbul Theta (degrees) Şekil 1. ph=11 de 200 o C reaksiyon sıcaklığında üretilen numunenin X-ray difraktogramı Elde edilen X-Ray difraktogramları MDI Jade 7.0 yazılımı kullanılarak incelenmiştir. Sonuçlar Standart PDF kartları ile karşılaştırıldığında, Nikel ferrit ile uyum gösterdiği tesbit edilmiştir. Buna göre, XRD analizi sonucu elde edilen X-Ray difraktogramından hesaplanan FWHM değerleri, Debye-Scherrer formülünde yerine konularak yaklaşık olarak ortalama partikül çapları hesaplanmıştır. Buna göre ortalama partikül çapları yaklaşık 30 nm olarak hesaplanmıştır. a) b) Şekil 2. ph=11 de ve 200 o C reaksiyon sıcaklığında üretilen numunenin SEM görüntüleri 3.2.SEM ve TEM Analizleri Malzemelerin bazı yüzey özelliklerinin ve kristal yapısının aydınlatılabilmesi ve yaklaşık ortalama partikül boyut dağılımının belirlenebilmesi için elde edilen örneklere elektron mikroskopları ile inceleme yapılmıştır. Elde edilen ürünler SEM cihazında 3

4 incelenerek örneklerin yapısal ve morfolojik özellikleri ortaya konulmaya çalışılmıştır. Bu amaçla yukarıda X-Ray difraktogramı verilen ve Scherrer formülü ile yaklaşık ortalama tanecik çapı 40 nm olarak hesaplanan örnek, gerçek partikül boyutunu görmek ve bazı morfolojik özelliklerini tesbit edebilmek için SEM incelemesine tabi tutulmuştur. Bu örneğe ait SEM görüntüleri Şekil 2 de verilmektedir. Ayrıca malzemenin kristal yapısını incelemek için aynı örneğe TEM analizi yapılmıştır. Bu numuneye ait TEM görüntüleri Şekil 3 de verilmiştir. a b c d e f g h ı Şekil 3. ph=11 de ve 200 o C reaksiyon sıcaklığında üretilen numunenin TEM görüntüleri 4

5 Intensity (counts) Onuncu Ulusal Kimya Mühendisliği Kongresi, 3-6 Eylül 2012, Koç Üniversitesi, İstanbul Yukarıda verilen SEM ve TEM görüntüleri incelendiğinde, SEM analizi ile partiküller tam olarak gözlemlenememiştir.partiküllerin etrafının bir hidrokarbon tabakası ile kaplanmış durumda olduğu tesbit edilmiştir. Fakat aynı örneğin TEM analizi Scherrer formulü ile bulunan sonucu doğrulamaktadır. Bu analiz sonucuna göre katı madde içerisinde yer yer 10 nm. tane boyutundan daha küçük ve oldukça düzgün kristal yapılarına sahip partiküller tesbit edilmiştir. Buna göre bu durum katı maddenin iyi yıkanamadığı için reaksiyondan kalan hidrokarbonların katıdan uzaklaştırılamadığı göstermektedir. Bu durumu gidermek için elde edilen katılar yaklaşık 700 o C sıcaklıkta 8 saat süre ile bekletilerek organik madde yakılmıştır. Bu işlemden sonra tekrar XRD analizi ve daha sonra ise sırasıyla SEM ve TEM analizleri yapılmıştır. Buna göre, ısıl işlem sonrasında elde edilen katının X-ray difraktogramı Şekil 4. de, SEM görüntüleri Şekil 5 de ve TEM görüntüleri Şekil 6 da verilmiştir Theta (degrees) Şekil 4. ph=11 de üretilen numunenin kalsinasyon sonrası X-ray difraktogramı a) b) Şekil 5. PEG 600 ile ph=11 de üretilen numunenin 700 o C kalsinasyon işleminden sonraki SEM görüntüleri 5

6 a b c d e f Şekil 6. ph=11 de 200 o C reaksiyon sıcaklığında üretilen numunenin 700 o C kalsine işleminden sonraki TEM görüntüleri 4. SONUÇ VE TARTIŞMA Yukarıda verilen X-Ray difraktogramları incelendiğinde Hidrotermal yöntemle NiFe 2 O 4 nanopartiküllerin sentezinde uygulanan ph değeri, deney sıcaklığı ve reaksiyon süresinin uygun olduğu, fakat alkol ve saf suyun son katıları yıkamada uygun olmadığı sonucuna varılmıştır. Buna göre bu şartlarda elde edilen katı madde ile birlikte kalan ve yıkamayla uzaklaştırılamayan organik maddenin yakılarak uzaklaştırılabileceği görülmektedir. Yakma sıcaklığı iyi kontrol edilmesi gereken bir parametredir. Çok yüksek sıcaklıklar partiküllerin aglomera olmasına veya eriyikler oluşmasına sebep olabilmektedir. Sonuç olarak şartlar iyi kontrol edildiği ve son yıkamanın iyi yapıldığı takdirde, Bu metod oldukça NiFe 2 O 4 nanopartiküllerin sentezinde oldukça etkili bir yöntemdir. TEŞEKKÜR Bu çalışma Atatürk Üniversitesi 2011/402 no lu Bilimsel Araştırma Projesi kapsamında yapılmıştır. Bu çalışmayı bir Bilimsel Araştırma Projesi olarak kabul eden ve destekleyen Atatürk Üniversitesi Yönetimine, XRD analizleri için Karadeniz Teknik Üniversitesi Fizik Bölümü ne ve son olarak SEM ve TEM analizleri için TÜBİTAK Marmara Araştırma Merkezi ne teşekkür ederiz. 6