Aerogel-based 3D printed optofluidic waveguided multi-channel photocatalytic microreactors

Abstract

This thesis investigates the use of additive 3D printing technology for creating micro photoreactors within aerogels. The study focuses on developing a low-cost 3D printing system tailored for aerogels and optimizing an ink formulation suitable for 3D printing processes. The research begins with customizing an off-the-shelf 3D printer to fabricate a low-cost system specifically for aerogel-based structures. This customized printer integrates a 3D-printed syringe pump system and custom software for accurate calibration and printing of sub-millimeter lines. The ink formulation designed for 3D printing comprises a silica aerogel starter solution with additives and titanium dioxide nanoparticles. Post-printing steps including gelation and solvent exchange refine the aerogel's structures enhancing stability for micro photoreactors designed to interact with water. Rheological characterization studies inform ink optimization ensuring durability and usability over time. The optimized 3D printing system and ink formulations demonstrate advancements in printing aerogels with additives where applications promise impactful solutions and future advancements in materials engineering and environmental sciences.

Bu tez, aerogeller içinde mikro fotoreaktörler oluşturmak için eklemeli 3D baskı teknolojisinin kullanımını araştırmaktadır. Çalışma, aerogellere özel, düşük maliyetli bir 3D baskı sistemi geliştirmeyi ve 3D baskı süreçlerine uygun bir mürekkep formülasyonunu optimize etmeyi hedeflemektedir. Araştırma, piyasada bulunan bir 3D yazıcının, aerogel tabanlı yapılar için düşük maliyetli bir sistem oluşturmak amacıyla özelleştirilmesiyle başlar. Bu özelleştirilmiş yazıcı, 3D baskı şırınga pompası sistemi ve milimetre altı hatların doğru kalibrasyonu ve baskısı için özel bir yazılımı entegre eder. 3D baskıya uygun mürekkep formülasyonu, katkı maddeleri ve titanyum dioksit nanoparçacıkları içeren bir silika aerogel başlangıç çözeltisinden oluşur. Baskı sonrası yapılan jelleştirme ve çözücü değişim işlemleri, mikro fotoreaktörlerin su ile etkileşime geçmesi için aerogel yapılarının stabilitesini artırır. Reolojik karakterizasyon çalışmaları, mürekkep optimizasyonuna katkı sağlayarak dayanıklılık ve uzun vadeli kullanılabilirlik sağlar. Optimize edilen 3D baskı sistemi ve mürekkep formülasyonları, katkı maddeleriyle aerogellerin baskısında önemli ilerlemeler göstermekte olup, bu uygulamalar, malzeme mühendisliği ve çevre bilimlerinde gelecekteki yeniliklere ve etkili çözümlere zemin hazırlamaktadır.