Organik tabanlı gaz sensörlerinde adsorpsiyon kinetiğinin incelenmesi

Abstract

Uçucu organik bileşik buharları (UOB) kapalı ortam hava kirleticilerinin ana kaynaklarından birisi olup canlı sağlığı için ciddi bir tehdit oluşturmaktadır. Çalışmalar, UOB buharlarına maruz kalan kişiler ile çeşitli kanser türleri arasında belirgin bir ilişki olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, UOB buharlarının yerinde ve anında algılanması ve bu amaçla üretilmiş aygıtların geliştirilmesi en yoğun çalışılan araştırma konularının başında gelmektedir. Gaz kromatografisi ve kütle spektrometresi ortamdaki UOB’ların analizinde en yaygın kullanılan tekniklerdir. Bu yöntemlerin oldukça hassas olmalarına rağmen, maliyetlerinin yüksek olması, örnek toplamayı ve laboratuvarlara taşımayı gerektirmeleri gibi nedenlerden dolayı yerinde ve anında ölçümler için elverişli değildirler. Düşük güçle çalışan, duyarlı, seçici ve güvenilir gaz sensörlerine ihtiyaç vardır. Sıvı ya da plastik polimerlerle kaplanmış Yüzey Akustik Dalga (SAW, Surface Acoustic Wave) sensörlerin UOB analizleri için birçok avantajları vardır. Bu sensörlerin cevapları UOB konsantrasyonuyla doğru orantılıdır, oldukça hızlı cevap verirler ve geri dönüşebilirdir. Ftalosiyanin tabanlı moleküler malzemelerin ince filmleri oldukça geniş bir alanda uygulama bulabilmekte ve yeni uygulama alanlarının belirlenmesi üzerinde yoğun olarak çalışılmaktadır. Ftalosiyanin bileşiklerine bu yoğun ilginin en önemli nedenleri ısıl ve kimyasal kararlılıkları, görünür bölgedeki yüksek absorpsiyon katsayıları ve foto iletkenlikleri sayılabilir. Çok fonksiyonlu organik bir yarıiletken olan Ftalosiyanin bileşikleri gaz algılama uygulamalarında da en çok çalışılan malzeme gruplarından biridir. Metalli ftalosiyaninlerin NO2 gazının oldukça düşük konsantrasyonları ile ozon gazı ve uçucu organik buharlarının algılanması konusunda büyük bir potansiyele sahip oldukları bilinmektedir. Gaz molekülleri ftalosiyanin film yüzeyi ile etkileştiğinde ftalosiyanin filmin elektriksel ieltkenlik, kütle ve optik absorpsiyon katsayıları gibi bazı fiziksel özelliklerinde değişmelere neden olduğu bilinmektedir. Adsorpsiyon doğası gereği yüzeyde gerçekleşen bir olaydır ve malzemenin bulk özelliklerine bağlıdır. Verilen herhangi bir gaz molekülü için gaz-katı yüzey etkileşimlerinin şiddeti ve adsorpsiyon kinetiği algılayıcı olarak kullanılan malzemenin moleküler yapısına, yük alışveriş sürecine ve komşu moleküller arasındaki uzaklık gibi birçok parametreye bağlıdır. Analit moleküller ile algılayıcı malzemeler arasındaki etkileşimin kinetiğinin anlaşılması, algılayıcı malzeme tasarımı ve seçimi için son derece önemlidir. Adsorpsiyon kinetiği genel olarak, adsorpsiyon olayının başlangıç durumundan son duruma gidişi ve bu gidiş esnasında geçen süre ile ilgili dolayısıyla, adsorpsiyon mekanizması hakkında bilgi verir. Şimdiye kadar, gaz-katı etkileşimlerinde adsorpsiyon sürecini temsil edecek genel bir matematiksel ifadenin geliştirilmesi için çok sayıda girişimde bulunulmuş olmasına rağmen bugün böyle bir model bulunmamaktadır. Çeşitli OUB’larını algılamak amacıyla geleneksel bir algılama sistemi geliştirmek için, esas önemli olan uçucu organiklerin moleküler yapısının algılama üzerindeki etkisinin bilinmesidir. Bu Yüksek Lisans tezinin temel amaçlarından birisi, iki farklı moleküler yapıdaki ftalosiyanin ince filmin bir dizi UOB’larını algılama özelliklerinin AT – kesim kuvars kristal rezonatör kullanılarak belirlenmesidir. Bu amaçla, Ftalosiyanin tabanlı sensörlerin farklı fonksiyonel gruplara ve molekül ağırlığına sahip sahip toplamda 9 adet UOB algılama özelliği test edilmiştir. Çalışmanın bir diğer amacı ise UOB’larının molekül yapısının ftalosiyanin ince filmler yüzeyindeki adsorpsiyon kinetiğine etkisinin belirlenmesidir. Bu amaçla, ortamdaki nem oranının dokuz farklı UOB’nın ftalosiyanin filmler yüzeyindeki adsorpsiyon kinetiğine etkisi incelenmiştir. Deneysel veriler, Pseudo I. derece ve II.derece eşitlikleri, Ritchie eşitliği ve Elovich eşitliği olmak üzere dört farklı kinetik model ile analiz edilmiştir. Analiz edilen her bir kinetik model için denge sabitleri ve kapasitesi, korelasyon katsayıları hesaplanmış ve tartışılmıştır. Elde edilen deneysel verilerin analizinden, ortamdaki nem oranının hem sensörlerin temel rezonans frekansını hem de sensör duyarlığını etkilediği görülmüştür. Her bir kinetik model için hız sabiti, denge kapasitesi ve bunlarla ilişkili korelasyon katsayıları hesaplanarak tartışılmıştır. Elde edilen sonuçlar, Ho'nun II. derece denklem modelinin UOB buharlarının ftalosiyanin yüzeyindeki adsorpsiyon kinetiğini modellemek için en uygun model olduğunu göstermiştir.