Synthesis And Characterization Of Mxoy (M=Ti, Si, Zn, Al) Coated VO2 Nanorods

The world’s available energy resources have been diminishing since the beginning of the 21th century. Saving enerygy is one of the best way to solve this problem. Vanadium Dioxide (VO2) is a widely studied inorganic phase change material, which has a reversible phase transition from semiconducting monoclinic to metallic rutile phase at a critical tempreture of Tc=68 C. The abrupt decrease of infrared transmittance in the metallic phase makes VO2 a potential candidate for thermochromic smart windows to cut down building energy consumption. But in applications, due to some limitations, researchers face with some issues like high Tc, low luminious transmittance, undesirable solar modulation ability and instability for enviromental effects. In order to tackle these issues, many approaches such as elementary doping and coating have been proposed. Among them, coated nanostructure is one the most effective methods for offering solutions to many of these issues. In the first stage of this study, VO2 nanostructures were synthesized by one of the most common methods, hydrothermal method then their phase was changed to to monoclinic phase under appropriate annealing conditions. Then, proposed core@shell structures (VO2@SiO2, VO2@TiO2, VO2@Al2O3, VO2@ZnO) were prepared by coating VO2 nanorods with various metal oxides. The coated structures were dissolved in DMF and added to the solution of PVB to prepare thermochromic films. Results indicated that the coated structure of VO2 made improvements in the phase transition temperature and optical properties and stability of VO2 nanorods. These structures are thought to be promising for thermochromic applications.TÜBİTAKÖZET i ABSTRACT iii TEŞEKKÜR v İÇİNDEKİLER vi ŞEKİLLER DİZİNİ viii ÇİZELGELER DİZİNİ xi SİMGELER VE KISALTMALAR xii 1. GİRİŞ 1 2. GENEL BİLGİLER 4 2.1. Vanadyum Oksitler 9 2.2. Sentez Yöntemleri 20 2.2.1. Sol – Gel Yöntemi 20 2.2.2. Hidrotermal Yöntem 21 2.3. Karakterizasyon Yöntemleri 21 2.3.1. Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM) Ölçümleri 21 2.3.2. Taramalı elektron mikroskobu (SEM) Ölçümleri 21 2.3.3. Enerji Dağılımlı X – Işınları (EDX) Ölçümleri 22 2.3.4. X Işınları Kırınımı (XRD) Ölçümleri 22 2.3.5. Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) Ölçümleri 23 2.3.6. Spektrofotometrik Ölçümler 24 3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 25 3.1. VO2 Nanoçubukların Sentezlenmesi 25 3.2. Sentezlenen VO2 Nanoçubukların (M) Fazına Geçmesinin Sağlanması 25 3.3. VO2 (M) Nanoçubukların SiO2 ile Kaplanması 25 3.4. VO2 (M) Nanoçubukların TiO2 ile Kaplanması 25 3.5. VO2 (M) Nanoçubukların AlOx ile Kaplanması 26 3.6. VO2 (M) Nanoçubukların ZnO ile Kaplanması 26 3.7. Termokromik Filmlerin Hazırlanması 27 4. SONUÇLAR VE TARTIŞMA 28 4.1. Tavlanmamış VO2 Nanoçubukların TEM, XRD ve DSC Analizleri 28 4.2. VO2 (M) Nanoçubukların TEM, XRD ve DSC Analizleri 31 4.3. SiO2 ile Kaplanan VO2 (M) Nanoçubukların SEM, XRD ve DSC Analizleri 33 4.4. TiO2 ile Kaplanan VO2 (M) Nanoçubukların SEM, XRD ve DSC Analizleri 37 4.5. Al2O3 ile Kaplanan VO2 (M) Nanoçubukların SEM, XRD ve DSC Analizleri 40 4.6. ZnO ile Kaplanan VO2 (M) Nanoçubukların SEM, XRD ve DSC Analizleri 44 4.7. Termokromik ve Optik Ölçümler 47 4.7.1. Tavlanmamış VO2’in Optik Geçirgenlik Spekturumu 47 4.7.2. Tavlanmış VO2’in Optik Geçirgenlik Spekturumu 47 4.7.3. VO2@SiO2’in Optik Geçirgenlik Spekturumu 48 4.7.4. VO2@TiO2’in Optik Geçirgenlik Spekturumu 49 4.7.5. VO2@AlO’in Optik Geçirgenlik Spekturumu 50 4.7.6. VO2@ZnO’in Optik Geçirgenlik Spekturumu 51 4.8. Çevresel Kararlılık 52 5. YORUM 53 6. KAYNAKLAR 56 EKLER 59 EK 1 – Tez Çalışması Orjinallik Raporu 59 ÖZGEÇMİŞ 61Dünyadaki mevcut enerji kaynakları 21.Yüzyıl’ın başından bu yana hızla azalmaktadır. Enerji tasarrufu, bu enerji kıtlığını çözmenin etkili yollarından biridir. Vanadyum Dioksit (VO2) Tc = 68 °C’de yarıiletken monoklinik bir fazdan metalik rutil faza geri dönüşümlü şekilde geçen ve bu özelliği sayesinde ilgi çeken ve yaygın bir şekilde kullanılan inorganik bir malzemedir. Metalik fazdaki kızılötesi geçirgenliğin ani düşüşü, VO2’i binalardaki enerji tüketimini azaltmak için yapılan termokromik akıllı camların yapımında kullanılabilir adaylardan biri yapmaktadır. Ancak uygulamada, bazı kısıtlamalardan dolayı problemlere karşılaşılmaktadır. Bunların arasında yüksek geçiş sıcaklığı, düşük optik geçirgenlik, çevresel etkenlere karşı kararsızlık ve istenmeyen güneş enerjisi modülasyonu sayılabilir. Bu problemleri çözebilmek için elementel katkılama, yüzey kaplama gibi birçok yöntem önerilmiştir. Bunların arasında önerilen kaplanmış nanoparçacık yapısı, bu problemlerin birçoğuna çözüm önerdiği için en etkili yöntemlerden biridir. Bu çalışmanın ilk aşamasında VO2 nanoçubuklar en yaygın sentezleme yöntemlerinden biri olan hidrotermal yöntem kullanılarak sentezlenip, uygun tavlama şartlarında sentezlenen malzemenin monoklinik faza geçmesi sağlanmıştır. Ardından VO2 nanoçubuklar çeşitli metal oksitlerle kaplanarak önerilen çekirdek@kabuk yapılar (VO2@SiO2, VO2@TiO2, VO2@Al2O3, VO2@ZnO) hazırlanmıştır. Metal oksitlerle kaplanan VO2 nanoçubuklar DMF içerisinde çözünerek hazırlanan çözelti, PVB içerisine belirli oranlarda yayılarak cam alttaşlar üzerinde filmler hazırlanmış, yapısal, morfolojik ve optik özellikleri karakterize edilmiştir. Bu çekirdek@kabuk yapılarının faz geçiş sıcaklığı M-VO2’in faz geçiş sıcaklığına göre bir miktar düşmekle birlikte M-VO2’in zayıf olan çevresel kararlılığı da iyileştirilmiştir. Bu yapıların termokromik uygulamalar için umut vaat ettiği düşünülmektedir