Development of coordination polymer and/or nanocrystal based smart materials as sensor and micropollutant removal agent
Koordinasyon polimer ve/veya nanokristal tabanlı akıllı malzemelerin sensör ve mikro kirletici giderme ajanı olarak geliştirilmesi
- Tez No: 987035
- Danışmanlar: DOÇ. DR. CANER ÜNLÜ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Kimya Mühendisliği, Chemistry, Polymer Science and Technology, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Su sistemlerinde organik mikrokirleticilerin artan varlığı, kalıcılıkları, toksisiteleri ve biyobirikim potansiyelleri nedeniyle çevre ve insan sağlığı açısından kritik bir tehdit oluşturmaktadır. Aynı zamanda, çevresel izleme ve biyomedikal uygulamalarda hassas, seçici ve düşük maliyetli algılama platformlarına olan artan talep, hem tespit hem de giderim zorluklarını aynı anda ele alabilecek çok işlevli malzemelerin araştırılmasını teşvik etmiştir. Koordinasyon polimerleri, kuantum noktalar ve metal organik iskeletler (MOF'lar), ayarlanabilir optik özellikleri, yüksek yüzey alanları ve çok yönlü yapısal tasarımları sayesinde umut verici adaylar olarak öne çıkmaktadır. Bileşim, morfoloji ve yüzey kimyası üzerinde hassas kontrol sağlanarak bu malzemeler, hedef kirleticilere karşı güçlü adsorpsiyon kapasitesini korurken özelleştirilmiş fotofiziksel tepkiler sergileyecek şekilde tasarlanabilir. Son dönemdeki gelişmeler, heteroatom katkılamanın, katı hâl içinde gömmenin ve makrosiklik fonksiyonelleştirmenin hem algılama performansını hem de kirletici giderim verimliliğini önemli ölçüde artırabileceğini ortaya koymuştur. Çevresel ve algılama odaklı zorluklara yanıt verebilecek gelişmiş fonksiyonel malzemelerin araştırılması, koordinasyon polimerleri, kuantum noktalar ve hibrit nanoyapılar üzerine yoğun çalışmaları beraberinde getirmiştir. Bu malzemeler, yüksek yüzey alanı, ayarlanabilir gözeneklilik ve özelleştirilebilir optik özellikleri çok işlevli platformlarda bir araya getirme fırsatı sunmaktadır. Bu tez, seçici algılama ve verimli mikrokirletici giderimi için ikili işlevselliğe sahip koordinasyon polimeri ve nanokristal tabanlı sistemlerin rasyonel tasarımına, sentezine ve uygulanmasına odaklanmaktadır. Hedefe yönelik katkılama stratejileri, katı hâl içinde gömme ve makrosiklik yüzey modifikasyonu kullanılarak bu malzemelerin optik tepkileri ve adsorpsiyon verimleri sistematik olarak optimize edilmiştir. Bu çalışma, dalga boyuna bağlı sensör olarak katkılı karbon noktaların geliştirilmesini, termoresponsif floresansa sahip indiyum bazlı kuantum noktalarının ısı algılama ve su arıtma uygulamalarına yönelik kullanımını ve kirletici adsorpsiyonunu artırılmış makrosiklik modifikasyonlu metal-organik iskeletlerin tasarımını kapsamaktadır. Tüm bu çalışmalar, ileri sensör teknolojileri ile pratik giderim çözümleri arasındaki boşluğu kapatacak, çevre dostu akıllı malzemelerin mühendisliğine yönelik bütüncül bir yaklaşım ortaya koymaktadır. Bu tezin amacı, hem sensör uygulamalarında hem de organik mikrokirleticilerin gideriminde kullanılabilecek, yüksek performanslı ve çevre açısından sürdürülebilir koordinasyon polimeri ve/veya nanokristal tabanlı akıllı malzemeler geliştirmektir. Bu doktora çalışması kapsamında üç bilimsel makale yayımlanmış olup, her bir çalışma ayrı bir bölümde sunulmuştur. Tezin birinci bölümü, çalışmanın kuramsal temelini bütüncül bir çerçevede sunar. Öncelikle nanomalzemelerin boyut kaynaklı özellikleri, yüzey kimyası ve karakterizasyon yaklaşımları ele alınarak kuantum noktalarının tanımı, sınıflandırma prensipleri (bileşim, yapı ve form) ile başlıca sentez stratejileri (kolloidal, hidro/solvotermal, mikrodalga vb.) özetlenir. Ardından koordinasyon polimerlerinin bağlanma mimarisi, porozite ve işlevselleştirme olanakları tartışılır; ZIF-8'in kristal yapısı, kimyasal/termal kararlılığı ve adsorpsiyon ile algılamadaki rolü örneklenir. Devamında, hibrit malzeme tasarımında nano yapıların entegrasyonu, arayüz mühendisliği ve çok işlevli performansın nasıl sağlandığı açıklanır. İkinci bölümde sunulan ilk çalışmada, seçici metal iyonu ve ATP algılama amacıyla mikrodalga destekli yöntemle azot ve bor katkılı karbon noktalar (CD'ler) sentezlenmiştir. Yapısal analizler, her katkı türü için fotofiziksel davranışları yüzey ve çekirdek durumu etkileşimleri üzerinden farklılaştıran belirgin yüzey işlevselliklerini doğrulamıştır. Optik çalışmalar, Cu²⁺ iyonlarının kısa dalga boylarında (300 nm) yüzey durumu etkilerine bağlı olarak güçlü floresans söndürme, Ag⁺ iyonlarının ise uzun dalga boylarında (450 nm) çekirdek durumu mekanizmalarıyla söndürme gerçekleştirdiğini ortaya koymuştur. Bor katkılı CD'ler, Mg²⁺, Zn²⁺ ve Cd²⁺ iyonları varlığında yüzey pasivasyonuna bağlı olarak 20 kata kadar floresans artışı göstermiştir. Cu²⁺ ile ATP arasındaki yüksek afinite, absorpsiyon ve floresans spektroskopisi kullanılarak etiketsiz bir algılama platformu geliştirilmesini sağlamıştır. Bu sonuçlar, algılama seçiciliğinin uyarma dalga boyu kontrolü ile ayarlanabileceğini göstermekte olup, katkılı CD'leri çevre ve biyolojik algılama için düşük maliyetli, çevre dostu ve ayarlanabilir optik yanıtlara sahip platformlar olarak öne çıkarmaktadır. Üçüncü bölümde sunulan ikinci çalışma, oleik asit bazlı katı hâl matrislerinde gömülü In₂S₃, ZnIn₂S₄ ve Cu:ZnIn₂S₄ kuantum noktalarının tek adımda sentezini rapor etmektedir. Bu yöntemle, çözünmez, termal olarak kararlı, parlak turuncu floresansa sahip ve %31'e kadar kuantum verimine ulaşan nanomalzemeler elde edilmiştir. Katı hâl formatı, homojen dağılım, çözücü direnci ve 160 °C'ye kadar termal kararlılık sağlamıştır. ZnIn₂S₄ kuantum noktaları tersinir termoresponsif floresans sergilerken, tüm malzemeler katyonik boyaların yüksek verimli giderimini sağlamış, In₂S₃ ayrıca anyonik boyaların gideriminde de etkili olmuştur. Bu sonuçlar, katı hâl indiyum bazlı QD'lerin ısı algılama ve su arıtma alanlarında çok işlevli uygulama potansiyelini ortaya koymaktadır. Dördüncü bölümde sunulan üçüncü çalışmada, hem emisyon ayarlanabilirliği hem de boyut kontrolü sağlayan bis-karboksilat kaliks[4]pirol (BCCP) ile fonksiyonelleştirilmiş floresan özellikli zeolitik imidazolat iskelet-8 (ZIF-8) nanokristalleri sentezlenmiştir. Artan BCCP konsantrasyonu, parçacık boyutunu ~270 nm'den ~65 nm'ye düşürmüş, kristalografik büyümeyi değiştirmiş ve gözenekliliği mikrogözenekli yapıdan mezogözenekli yapıya dönüştürmüştür. Modifiye ZIF-8, yaklaşık %7,3 kuantum verimi ile parlak beyazımsı-mavi floresans sergilemiş ve azaltılmış boyut, değişen gözeneklilik ve yüzey fonksiyonelleştirmesinin sinerjik etkileri sayesinde mikrokirletici adsorpsiyon performansını artırmıştır. Bu sonuçlar, MOF yapılarında optik aktivitenin çevresel izleme ve arıtma uygulamaları için entegre edilmesine yönelik çok yönlü bir yaklaşım ortaya koymaktadır. Bu tez kapsamında, çevresel arıtım ve sensör uygulamalarındaki çifte işlevsellik hedeflenerek yenilikçi koordinasyon polimeri ve nanokristal tabanlı akıllı malzemeler geliştirilmiş ve sistematik olarak incelenmiştir. Moleküler tasarımın nanoölçekli mühendislikle bütünleştirilmesi sayesinde, elde edilen malzemeler hem seçici algılama hem de mikrokirletici gideriminde artırılmış performans sergilemiştir. Bu bütünleşik yaklaşım, malzemelerin hem seçici algılama hem de mikrokirletici giderim süreçlerinde önceki çalışmalara kıyasla daha üstün sonuçlar ortaya koymasına olanak tanımıştır. Özellikle, metal iyonları ve biyomoleküllerin seçici tespitine yönelik sensör özellikleri ile organik boyar maddeler gibi zararlı kirleticilerin gideriminde yüksek verimlilik sağlayan adsorpsiyon kapasitesi, geliştirilen malzemelerin çok yönlü kullanım potansiyelini ortaya koymuştur. Böylece, söz konusu koordinasyon polimeri ve nanokristal tabanlı malzemeler, hem çevresel sürdürülebilirlik hedeflerine katkıda bulunan arıtım teknolojilerinde hem de modern analiz tekniklerine entegre edilebilecek yeni nesil sensör platformlarında önemli bir aday olarak öne çıkmıştır.
Özet (Çeviri)
The increasing presence of organic micropollutants in water systems poses a critical threat to environmental and human health due to their persistence, toxicity, and potential for bioaccumulation. Simultaneously, the growing demand for sensitive, selective, and cost-effective sensing platforms in environmental monitoring and biomedical applications has driven the search for multifunctional materials that can address both detection and remediation challenges. Coordination polymers, quantum dots, and metal–organic frameworks (MOFs) have emerged as promising candidates owing to their tunable optical properties, high surface area, and versatile structural designs. Through precise control of composition, morphology, and surface chemistry, these materials can be engineered to exhibit tailored photophysical responses while maintaining strong adsorption capacities toward target contaminants. Recent advances have demonstrated that heteroatom doping, solid-state embedding, and macrocyclic functionalization can significantly enhance both sensing performance and pollutant removal efficiency. The pursuit of advanced functional materials capable of addressing both environmental and sensing challenges has driven extensive research into coordination polymers, quantum dots, and hybrid nanostructures. These materials offer unique opportunities for integrating high surface area, tunable porosity, and customizable optical properties into multifunctional platforms. This thesis focuses on the rational design, synthesis, and application of coordination polymer and nanocrystal-based systems with dual capabilities in selective sensing and efficient micropollutant removal. By employing targeted doping strategies, solid-state embedding, and macrocyclic surface modification, the optical responses and adsorption efficiencies of these materials were systematically optimized. The work encompasses the development of doped carbon dots for wavelength-selective biosensing, indium-based quantum dots with thermo-responsive fluorescence for thermal sensing and water decontamination, and macrocycle-modified metal–organic frameworks with enhanced pollutant adsorption. Collectively, these efforts demonstrate a coherent approach to engineering environmentally sustainable smart materials that bridge the gap between advanced sensor technologies and practical remediation solutions. The aim of this thesis is to develop coordination polymer and/or nanocrystal-based smart materials that can serve as high-performance, environmentally sustainable platforms for both sensor applications and the removal of organic micropollutants. Three research articles have been published in connection with this doctoral study, and each work is presented in a separate chapter. The first study is mentioned in chapter 2 the synthesis of nitrogen- and boron-doped carbon dots (CDs) via a microwave-assisted method for selective metal ion and ATP xxiv detection. Structural analysis confirmed distinct surface functionalities for each dopant type, influencing photophysical behavior through surface- and core-state interactions. Optical studies revealed excitation-dependent emissions, with Cu²⁺ inducing strong fluorescence quenching at shorter wavelengths (300 nm) due to surface-state effects, and Ag⁺ causing quenching at longer wavelengths (450 nm) via core-state mechanisms. Boron-doped CDs exhibited up to 20-fold fluorescence enhancement in the presence of Mg²⁺, Zn²⁺, and Cd²⁺, attributed to surface passivation. The strong affinity between Cu²⁺ and ATP enabled a label-free sensing platform using absorption and fluorescence spectroscopy. These results demonstrate that excitation wavelength control can modulate sensor selectivity, highlighting doped CDs as cost-effective, eco-friendly platforms with tunable optical responses for environmental and biological sensing applications. The second study mentioned in chapter 3 presents a one-pot synthesis of In₂S₃, ZnIn₂S₄, and Cu:ZnIn₂S₄ quantum dots embedded in oleic acid-based solid-state matrices, producing insoluble, thermally stable nanomaterials with bright orange fluorescence and quantum yields up to 31%. The solid-state format ensured uniform dispersion, solvent resistance, and stability up to 160 °C. ZnIn₂S₄ quantum dots exhibited reversible thermo-responsive fluorescence, while all materials showed high removal efficiency for cationic dyes, with In₂S₃ also effective against anionic dyes. These results demonstrate the potential of solid-state indium-based QDs for multifunctional applications in thermal sensing and water purification. The third study mentioned in chapter 4 the synthesis of fluorescent zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) nanocrystals functionalized with bis-carboxylate calix[4]pyrrole (BCCP), enabling both emission tunability and size control. Increasing BCCP concentration reduced particle size from ~270 nm to ~65 nm and altered crystallographic growth, while transforming the porosity from microporous to mesoporous behavior. The modified ZIF-8 exhibited bright whitish-blue fluorescence with a quantum yield of ~7.3% and enhanced micropollutant adsorption performance, attributed to synergistic effects of reduced size, altered porosity, and surface functionalization. These results demonstrate a versatile approach for integrating optical activity into MOF structures for sensing and environmental remediation applications.
Benzer Tezler
- Antakya tarihi ticaret merkezi mekansal yapı değişim ve gelişim sürecinin kent ticaret merkezi planlamasına etkinliği
The Effectiveness of spatial structural chance and development period of the historical trade center of Antakya in the urban trade planning
NEVİN TURGUT
Yüksek Lisans
Türkçe
1986
Şehircilik ve Bölge PlanlamaGazi ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. NURCAN UYDAŞ
- Ovulasyon indüksiyonu tedavisinde folliküler gelişimin ultrasonografik takibi
Başlık çevirisi yok
MERİH BAYRAM
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
1987
Kadın Hastalıkları ve DoğumGazi ÜniversitesiKadın Hastalıkları ve Doğum Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MÜLAZIM YILDIRIM
- Sivas-Kangal yöresinde kırsal gelişme ve pazara açılma sürecindeki farklılaşmalar (bir örnek olay incelemesi)
Başlık çevirisi yok
FAHRİ ERCEM
Yüksek Lisans
Türkçe
1984
SosyolojiCumhuriyet ÜniversitesiSosyoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. A. VAHAP SAĞ
- Makro besin elementlerinin (NPK) İzmir'de Mayıs ayında açığa dikilen 4-6 cm çevre büyüklüğündeki Gladiolus cinsine ait“hunting song”ve“Novalüx”kültür çeşitlerinin yumrularının gelişmeleri üzerine etkileri
Başlık çevirisi yok
TAHA ALİ AMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
ZiraatEge ÜniversitesiPeyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ADNAN HATİPOĞLU
- Mus musculus türü farelerde gözün gelişimi
The Development of eve of the albino mus musculus species of mice
EMEL YOLAL
Yüksek Lisans
Türkçe
1984
MorfolojiCumhuriyet ÜniversitesiMorfoloji (histoloji ve Embriyoloji) Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDOĞAN GÜRSOY