Geri Dön

Efficient catalytic conversion of polysulfides by mxene-based heterostructures towards long-life li-S batteries

Uzun ömürlü lityum-kükürt pil sistemleri için mxene tabanli heteroyapilarla polisülfitlerin verimli katalitik dönüşümü

PDF İndir

  1. Tez No: 1004524
  2. Yazar: BÜŞRA ÇETİNER
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL, DOÇ. DR. ALP YÜRÜM
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Enerji, Mühendislik Bilimleri, Chemistry, Energy, Engineering Sciences
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sabancı Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Lityum–sülfür (Li–S) piller, polisülfit çözünmesi, yavaş dönüşüm kinetiği, yalıtkan Li2S oluşumu ve büyük hacim değişimleri nedeniyle ciddi performans kayıpları yaşar; bu problemler pratik sülfür yüklemelerinde daha da belirginleşir. Bu tez, bu sınırla- maları sistematik olarak çözmek amacıyla elektrodokunmuş PVDF iskelelerinden katalitik MXene–TMO interlayer'lara, yüksek yüklemeli katotlara ve son olarak kusur mühendisliği uygulanmış H–TiO2 sülfür hostuna uzanan mekanizma odaklı ardışık bir tasarım stratejisi geliştirmektedir. Öncelikle, elektrospin yöntemiyle gözenekli, mekanik olarak sağlam ve yüksek dere- cede ıslanabilir PVDF ara katmanları geliştirilmiştir. Bu yapıların sınırlı polaritesi, MXene nanosheet'lerinin geçiş metali oksitleri (TiO2 veya SnO2) ile birlikte PVDF liflerine entegre edilmesiyle aşılmış; böylece metalik iletkenlik, güçlü polar adsorp- siyon ve katalitik yük transferi özelliklerini bir araya getiren MXene–TMO heteroy- apıları oluşturulmuştur. Orta yüklemeli hücrelerde (2–3 mg cm−2), bu interlayer'lar yük transfer direncini 13.4 Ω'dan 5.6 Ω'a düşürmüş, CV piklerini keskinleştirmiş, Li+ difüzyon katsayısını neredeyse bir mertebe artırmış ve 930–1030 mAh g−1'in üzerinde başlangıç kapasiteleri sağlamıştır. Bu tasarım daha sonra difüzyon kısıtlarının ve LiPS birikiminin baskın olduğu yük- sek sülfür yüklü katotlara (5–6 mg cm−2) uygulanmıştır. Bu koşullarda MXene– TMO interlayer, Rct değerini 150 Ω'dan 8 Ω'a (∼94% azalma) düşürmüş, shuttle etkisini bastırmış ve 0.1 C'de >800 mAh g−1 kapasitenin korunmasını sağlamıştır. Son aşamada, Ti3+ merkezleri ve oksijen boşlukları içeren hidrojenle işlenmiş içi boş TiO2 hostu (H–TiO2) mühendisliği yapılmıştır. Bu kusurlar uzun zincirli LiPS türlerine bağlanmayı güçlendirmekte, elektronik iletkenliği artırmakta ve Li2S oluşu- munun boşluklu iç yapı içinde homojen bir şekilde gerçekleşmesini sağlamaktadır. Bu yapıda Rct 4.5 Ω'dan 0.31 Ω'a düşmüş ve pil >80% kapasite koruması göster- miştir. DFT hesaplamaları, kusur kaynaklı adsorpsiyon güçlenmesini ve katalitik yolları doğrulamaktadır. Katalitik interlayer'ların kusur zengini bir sülfür hostuyla birleştirilmesiyle elde edilen bu sistem, gerçekçi sülfür yüklemelerinde hızlı kinetik, yüksek kapasite ve kararlı uzun dönem performans sunarak yeni nesil Li–S pilleri için ölçeklenebilir bir tasarım yaklaşımı ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

Lithium–sulfur (Li–S) batteries suffer from polysulfide dissolution, sluggish conver- sion kinetics, insulating Li2S, and large volume changes, all of which intensify at practical sulfur loadings. This dissertation develops a sequential, mechanism-driven design strategy—from electrospun PVDF scaffolds to catalytic MXene–TMO in- terlayers, high-loading cathodes, and finally a defect-engineered H–TiO2 host—to systematically address these limitations. Electrospun PVDF membranes were first developed as porous, mechanically robust, and highly wettable interlayers. Their limited polarity was then overcome by in- tegrating MXene nanosheets with transition-metal oxides (TiO2 or SnO2), forming MXene–TMO heterostructures that unite metallic conductivity, strong polar adsorp- tion, and catalytic charge-transfer sites. In medium-loading cells (2–3 mg cm−2), these interlayers reduced charge-transfer resistance from 13.4 to 5.6 Ω, sharpened CV peaks, increased Li+ diffusion coefficients by nearly an order of magnitude, and delivered initial capacities exceeding 930–1030 mAh g−1 with minimal fading. The design was next translated to high-loading electrodes (5–6 mg cm−2), where diffusion constraints and LiPS accumulation dominate. Here, the MXene–TMO interlayer decreased Rct from 150 to 8 Ω (∼94% reduction), suppressed polysulfide shuttling, and maintained high capacities (>800 mAh g−1 at 0.1 C), confirming catalytic acceleration of LiPS conversion even in thick electrodes. Finally, a hydrogen-treated hollow TiO2 host (H–TiO2) was engineered to introduce Ti3+ centers and oxygen vacancies. These defects enhance binding to long-chain LiPS, improve electronic transport, and guide uniform Li2S precipitation within the hollow interior. The resulting Rct dropped from 4.5 to 0.31 Ω, and the battery exhibited >80% capacity retention. DFT calculations validate the strengthened adsorption energetics and defect-mediated catalytic pathways. By integrating catalytic interlayers with a defect-rich host, this work demonstrates a synergistic system achieving fast kinetics, high capacities, and stable operation under realistic sulfur loadings, offering a scalable blueprint for next-generation Li–S batteries.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    998494

    Flow through electrolysıs of H₂S for hydrogen productıon

    Hidrojen üretimi için H₂S for'nin akışlı elektrolizi

    FAEZEH NAZARI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2026

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALPER SARIOĞLAN

    DOÇ. DR. MEHMET SUHA YAZICI

  2. Tez No

    270435

    Parametric analysis of Fischer-Tropsch synthesis in a catalytic microchannel reactor

    Fischer-Tropsch sentezinin katalitik mikrokanal reaktör üzerinde parametrik analizi

    GAMZE GÜMÜŞLÜ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Kimya MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. AHMET KERİM AVCI

  3. Tez No

    421140

    Catalytic depolymerization of scotch pine and lignin in supercritical ethanol

    Sarıçam ve ligninin süperkritik etanolde katalitik depolimerizasyonu

    CEYLANPINAR ATAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FİLİZ KARAOSMANOĞLU

  4. Tez No

    292229

    Experimental study of NOx conversion efficiency and BSFC for a thermally insulated SCR system

    Termal olarak izole edilmiş bir SCR sisteminin, NOx indirgeme ve özgül yakıt tüketiminin deneysel olarak incelenmesi

    FATİH TABAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2010

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN ERGENEMAN

  5. Tez No

    1001391

    Catalytic role of low-cost natural minerals in sewage sludge gasification using different gasifying agents for hydrogen-enriched syngas production

    Düşük maliyetli doğal minerallerin, hidrojenle zenginleştirilmiş sentez gazı üretimi için farklı gazlaştırma ajanları kullanılarak arıtma çamurunun gazlaştırılmasında katalitik rolü

    DİLEK ALPER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2026

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI

    PROF. DR. ALPER SARIOĞLAN

Geri Dön