Element modifiye edilmiş CNC, BNNC ve ALNC yapılarının hidrojen depolama ve sensör özelliklerinin yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) ile incelenmesi - Köse, Ahmet; Fellah, Mehmet Ferdi; Bursa Teknik Üniversitesi Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı; Lisansüstü Eğitim Enstitüsü (Bursa, 2023)
Hidrojen, çevre dostu ve yüksek verimli bir enerji kaynağı olarak önemli bir potansiyele sahiptir. Ayrıca, enerji taşıyıcısı olarak da kullanılabilir. Ancak, hidrojenin yaygın kullanımını sınırlayan ana engel, istenen verimde depolanamamasıdır. Güvenli ve etkili bir şekilde, hidrojenin gaz veya sıvı formunda depolanması zor bir süreçtir. Bu bağlamda, hidrojenin bir malzeme üzerine adsorplanarak depolanması, şu an için en etkili çözüm olarak kabul edilmektedir. Çeşitli malzemeler, hidrojen depolama amacıyla incelenmiş olsa da, hidrojenin ekonomik ve yeterli kapasitede depolanmasını sağlayacak bir çözüm henüz tam anlamıyla bulunamamıştır. Bu nedenle, hidrojen depolama malzemeleri araştırması üzerine devam eden çalışmalar büyük bir öneme sahiptir. Özellikle, nanotüplere benzer yapıdaki nanokoni yapılar, elektronik ve mekanik özellikleri sayesinde gaz adsorpsiyon çalışmalarında ön plana çıkmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, karbon nanokoni (CNC), bor nitrür nanokoni (BNNC) ve alüminyum nitrür nanokoni (AlNC) yapılarının farklı eğilim açılarında (180⁰, 240⁰, 300⁰), hidrojen depolama kapasiteleri ve sensör özellikleri yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) yöntemi ile incelenmiştir. Nanokonilerin hidrojen depolama kapasitelerini artırmak ve sensör özelliklerini iyileştirmek için alkali/toprak alkali (Li, K, Ca) ve geçiş (Ni, Cu, Pt) metal atomları ile yükleme ve dekorasyon yapılıp modifikasyonları gerçekleştirilmiştir. Tez çalışması kapsamında yapılan DFT hesaplamaları için WB97XD metodu kullanılmıştır. Optimizasyon sonucu elde edilen yapıların bağ uzunluklarının literatür ile uyumlu olduğu bulunmuş ve IR frekanslarında hayali frekansa (negatif) rastlanmamıştır. Saf CNC, BNNC ve AlNC yapılarının hidrojen adsorpsiyon özellikleri incelendiğinde, bu yapılar üzerinde hidrojenin adsorpsiyonunun ya hiç gerçekleşmediği ya da hidrojen etkileşiminin çok zayıf olduğu tespit edilmiştir. Alkali/Toprak alkali metal atomları ile yapılan modifikasyonlar, nanokoni yapıların hidrojen adsorpsiyonunu bir miktar artırmış olsa da, elde edilen enerji değerleri etkili adsorpsiyon ve desorpsiyon işlemleri için gerekli olan enerji aralığı (-19,3 ile -67,5 kJ/mol) dışındadır. Ancak, geçiş metal atomları ile yapılan modifikasyonlar, adsorpsiyon ve desorpsiyon işlemleri için gerekli olan enerji değerlerini büyük oranda sağlamıştır. Eğilim açısının değişimi ile yapılardaki hidrojen adsorpsiyonu arasında doğrusal bir ilişki bulunmamıştır. NBO atomik yük değerleri ve HOMO-LUMO görüntüleri incelendiğinde, genellikle hidrojen molekülünden nanokoni yapılara doğru bir yük transferi olduğu gözlemlenmiştir. Ayrıca, ESP görüntüleri kullanılarak nanokoni yapılarındaki hidrojen etkileşimleri de incelenmiştir. Pthy CNC180 ve CuNy BNNC180 yapıları üzerinde hidrojen etkileşimini gösteren RDG analizleri ve RDG izo yüzey grafikleri, bu iki yapıda hidrojen adsorpsiyonunun Van der Waals etkileşimi ile gerçekleştiğini göstermiştir. 4Pt-CNC180, 4Cu-BNNC180 ve 3Ni-BNNC300 yapıları için gravimetrik hidrojen depolama kapasiteleri sırasıyla %4,67, %5,38 ve %5,86 olarak hesaplanmıştır. İlk iki yapı, DOE'nin 2020 hedefini (%4,5) aşarken, 3Ni-BNNC300 yapısı DOE'nin 2025 hedefini (%5,5) aşmıştır. Pthy CNC180 ve CuNy BNNC180 yapılarının, 1 atm basınç altında ortalama desorpsiyon sıcaklıkları sırasıyla 222 K ve 332 K olarak belirlenmiştir. Bu sonuçlar göz önüne alındığında, geçiş metali ile modifiye edilmiş nanokoni yapılarının umut verici bir hidrojen depolama malzemesi olabileceği sonucuna varılmıştır. Hidrojen moleküllerinin adsorpsiyonları sonucunda, bazı nanokoni yapıların %Eg ve %Φ değerlerinde önemli düşüşler tespit edilmiştir. Bu değişikliklerin en yükseği, CuBy BNNC180 yapısının Φ değerinde (-%22,1) ve CaNhy AlNC300 yapısının Eg değerinde (-%29,7) gerçekleşmiştir. Bu sonuçlar, alkali/toprak alkali ve geçiş metal atomları ile modifiye edilen nanokoni yapılarının, hidrojen ile etkileşerek elektronik ve Φ sensör özellikleri sergileyebileceklerini göstermiştir.
Tez (Doktora) -Bursa Teknik Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü,2023
Kaynakça 243-252 sayfa
Keywords: Hidrojen; Nanokoni