Nanoyapılı fosfor tabanlı malzemeler: Enerji depolama ve elektronik uygulamalar
Nanostructured phosphorus-based materials: Energy storage and electronic applications
- Tez No: 1016865
- Danışmanlar: PROF. DR. SAİT EREN SAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Kocaeli Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
İki boyutlu (2B) fosfor tabanlı malzemeler, özellikle siyah fosfor (black phosphorus, BP) ve onun tek tabakalı türevi olan fosforen, yüksek teorik kapasite, içsel yapısal anizotropi ve ayarlanabilir elektronik özellikleri sayesinde yeni nesil enerji depolama ve elektronik uygulamalar için son derece umut verici adaylar olarak öne çıkmaktadır. Bununla birlikte, bu malzemelerin pratik uygulamaları; elektrokimyasal çevrimleme sırasında meydana gelen şiddetli hacim genleşmesi, düşük içsel elektriksel iletkenlik ve çevresel kararsızlık gibi temel sınırlamalar nedeniyle ciddi ölçüde kısıtlanmaktadır. Bu doktora tezinde, fosfor tabanlı nanoyapıların kapsamlı bir teorik ve deneysel incelemesi sunulmuş; çalışma özellikle bu malzemelerin lityum-iyon bataryalarda anot olarak kullanımı ve anizotropik yumuşak madde sistemleri (örneğin sıvı kristaller) ile entegrasyonu üzerine odaklanmıştır. Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (DFT) hesaplamaları aracılığıyla, saf ve modifiye edilmiş fosforen sistemlerinin elektronik yapıları, iyon adsorpsiyon davranışları, difüzyon yolları ve yön-bağımlı taşıma özellikleri ayrıntılı biçimde analiz edilmiş; böylece atomik ölçekte temel yapı–özellik ilişkileri ortaya konmuştur. Deneysel çalışmalarda, siyah fosfor; kırmızı fosfordan başlanarak çözücü içermeyen mekanokimyasal bir yöntemle sentezlenmiş ve bu yaklaşımın, elektrokimyasal uygulamalar için elverişli nanoyapılanmayı desteklediği gösterilmiştir. Siyah fosforun içsel sınırlamalarını gidermek amacıyla, ağırlıkça %80 BP ve %20 grafen oksit (GO) içeren rasyonel olarak tasarlanmış bir BP–GO kompozit anot geliştirilmiştir. Grafen oksit ağı; mekanik tamponlama, elektronik perkolasyonun iyileştirilmesi ve arayüz stabilizasyonu sağlarken, fosfor fazının yüksek kapasite katkısının korunmasına olanak tanımaktadır. X-ışını kırınımı (XRD) ve alan emisyonlu taramalı elektron mikroskobu (FESEM) analizleri, faz dönüşümünün başarısını ve kompozitin hiyerarşik, tabakalı morfolojisini doğrulamıştır. Elektrokimyasal performans, literatürde yaygın olarak kabul edilen CR2032 yarım hücre konfigürasyonu kullanılarak değerlendirilmiştir. Galvanostatik şarj–deşarj ölçümleri, diferansiyel kapasite (dQ/dV) analizleri, Coulombik verim ve uzun süreli çevrim testleri; BP–GO kompozit anotların saf fosfor elektrotlara kıyasla daha yüksek tersinirlik, daha düşük kutuplanma ve geliştirilmiş çevrim kararlılığı sergilediğini ortaya koymuştur. Sonuçlar, ilk çevrimlerde alaşımlama ve SEI oluşumuna bağlı geri dönüşümsüz süreçlerin zamanla bastırıldığını ve sistemin kararlı, tersinir bir litiasyon rejimine geçtiğini göstermektedir. Bu tez, atomik ölçekli teorik analizler ile deneysel malzeme üretimi ve elektrokimyasal performans arasında bütüncül bir bağ kurarak, fosfor tabanlı yüksek kapasiteli ve kararlı anotların rasyonel tasarımı için temel bir çerçeve sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Two-dimensional (2D) phosphorus-based materials, particularly black phosphorus (BP) and its monolayer derivative phosphorene, have emerged as highly promising candidates for next-generation energy storage and electronic applications due to their high theoretical capacity, intrinsic anisotropy, and tunable electronic structure. However, their practical implementation is critically limited by severe volume expansion during electrochemical cycling, poor intrinsic electrical conductivity, and pronounced environmental instability. This doctoral thesis presents a comprehensive theoretical and experimental investigation of nanostructured phosphorus-based materials, with a primary focus on their application as anode materials for lithium-ion batteries and their integration into anisotropic soft-matter systems such as liquid crystals. Density Functional Theory (DFT) calculations are employed to elucidate the electronic structure, adsorption behavior, diffusion pathways, and anisotropic transport characteristics of pristine and modified phosphorene systems, establishing fundamental structure–property relationships at the atomic scale. Experimentally, black phosphorus is synthesized via a solvent-free mechanochemical route starting from red phosphorus, enabling scalable production while inducing nanostructuring favorable for electrochemical applications. To address the intrinsic limitations of BP, a rationally designed BP–graphene oxide (BP–GO) composite anode with a mass ratio of 80:20 is developed. The graphene oxide network provides mechanical buffering, enhanced electronic percolation, and interfacial stabilization, while preserving the high capacity contribution of the phosphorus phase. Structural and morphological characterizations using XRD and FESEM confirm the successful phase transformation and hierarchical lamellar architecture of the composite. Electrochemical performance is evaluated using CR2032 half-cell configurations following widely accepted experimental standards. Galvanostatic charge–discharge, differential capacity (dQ/dV) analysis, Coulombic efficiency evaluation, and long-term cycling tests demonstrate that the BP–GO composite exhibits improved reversibility, reduced polarization, and enhanced cycling stability compared to pristine phosphorus electrodes. The results reveal a clear transition from irreversible alloying-dominated behavior in early cycles to a stabilized, reversible lithiation mechanism upon prolonged cycling. Overall, this thesis establishes a coherent framework linking atomic-scale theory, material synthesis, composite electrode design, and electrochemical performance. The findings provide critical insights for the rational engineering of high-capacity, stable phosphorus-based materials for advanced energy storage systems and anisotropic electronic applications.
Benzer Tezler
- Production and characterization of white light based on energy up conversion mechanisms in Yb+3,Nd+3,Tm+3 rare earth ions doped y2o3-sio2 nano-phosphor materials
Yb+3,Nd+3,Tm+3 nadir toprak iyon katkili Y2O3-SiO2 nanofosfor malzemelerde üst enerji̇ dönüşüm mekanizmasına dayalı beyaz ışık üretimi ve karakterizasyonu
HATUN ÇINKAYA YILMAZ
Doktora
İngilizce
2019
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÖNÜL ERYÜREK
- Flame retardancy of polyamide compounds and micro/nano composites
Poliamid kompaundlarının ve mikro/nano kompozitlerinin alevlenme dayanımı
HÜSEYİN ÖZGÜR GÜNDÜZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Polimer Bilim ve TeknolojisiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEVDET KAYNAK
- Biyomedikal uygulamalar için nano boyutlu hidroksiapatit üretimi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of nano-sized hydroxyapatite for biomedical applications
FERAY BAKAN
Doktora
Türkçe
2011
Kimya MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANİFİ SARAÇ
- Green synthesis of nanostructured bioactive glass for dental applications
Diş hekimliği uygulamalarında kullanılmak üzere yeşil sentez ile nano-yapılı biyocam sentezi
MELİSA TÜNCER
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Biyomühendislikİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CEYDA ÖKSEL KARAKUŞ
DR. ÖĞR. ÜYESİ DENİZ TANIL YÜCESOY
- Flame retardant nanofibers from acrylonitrile, methylacrylate and vinylphosphonic acid terpolymers with using electrospinning technique
Akrilonitril, metilakrilat ve vinilfosfonik asit terpolimeri ile elektrospinning yöntemi kullanılarak alev geciktirici özellikli nanofiber eldesi
NAGEHAN İLMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NESRİN KÖKEN