Investigations on nitrogen doped graphene synthesized by modified chemical vapor deposition
Modifiye kimyasal buhar birikimi ile sentezlenen azot doplu grafen üzerinde araştırmalar
- Tez No: 456329
- Danışmanlar: Assist. Prof. Dr. SARP KAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
Karbon temelli materyallerin temel yapı taşı olan grafen, oda sıcaklığında kuantum hall etkisi, ayarlanabilir bant aralığı, yüksek elastikiyet ve elektrokimyasal işlevsellikleri gibi eşsiz özelliklerinden ötürü son yıllarda hem bilimsel hem de teknolojik topluluklardan yüksek ilgi görmüştür. sp2 hibridize karbon atomlarının petek kafeslerinden oluşan grafenin bir düzleminde, her atom için üç düzlemsel σ bağları ve bir π orbital vardır. Bu bağlanma doğası farkı, grafen için olağanüstü anizotropi özelliklere sağlar. Geçen on yılın başlarından itibaren Bilim topluluğunun grafen odaklanmasına dayanarak çeşitli sentez teknikleri bu madde için geliştirildi. Bunların arasında mekanik eksfoliyasyon ve epitaksiyel büyüme daha fazla ilgi görmüştür. Ancak, düşük kristallik ve ölçeklenirlik eksikliği, bu yöntemlerin temel dezavantajlarıdır. Çeşitli karbon prekürsörlerinin farklı alt katmanlar üzerinde kimyasal buhar birikimi (CVD), arzulanan düşük maliyetli, yüksek kaliteli ve büyük ölçekli grafen ulaşmada yeni bir çağ açtı. Değişik uygulamalarda bozulmamış grafenin fizibilitesinin yanı sıra özelliklerini değişik kimyasal yöntemlerle değiştirmek ve yeni özellikler eklemek mümkündür. Grafen değiştirmedeki ana stratejilerden biri kimyasal katkılamada bulunmaktır. Bağlanma ağına yabancı bir element eklenmesi, grafeni elektrokimyasal olarak aktif materyale dönüştürebilir. Azotla katkılı grafen (N katkılı grafen), aktivite, dayanıklılık ve selektivite bakımından büyük bir potansiyel sunan metalden bağımsız yeni bir elektrokatalizör türüdür. N katkılı grafenin sentezlenmesi için çeşitli yöntemler önerilmiştir. Genellikle doğrudan sentez ve sentez den sonar işleme tabi tutulmak üzere sınıflandırılan bu yöntemler, NH3, N2 ve N2H4 gibi farklı türde azot öncüllerinin yanı sıra CVD, ayırım ve plazma işlemi gibi çeşitli sentez teknikleri içerir. N katkılı grafenin elektrokimyasal aktivitesini belirleyen başlıca özellikler, azot konsantrasyonu ve grafen kafesindeki konfigürasyonudur. Azotun, grafen kafesinde üç olası konfigürasyonuna (piridinik, pirolik ve grafitik) sahip olduğu iyi bilinmektedir. Bu çalışmada, santimetre ölçekli çok katmanlı grafen filmleri CVD tekniği ile çok kristalli Cu folyolar üzerine sentezlenmiştir. Karbonun öncüsü olarak metan kullanıldı. Toplam basınç, büyüme süresi, büyüme sıcaklığı, metan akış hızı ve ısıtma hızı gibi farklı parametrelerin etkileri Raman spektroskopisinin uygulanmasıyla ayrıntılı bir şekilde incelendi. Grafen, Raman spektrumunda, filmin kalitesini (kusur yoğunluğu açısından bakıldığında) hem de katman sayısını belirlemeyi mümkün kılan bazı belirgin parmak izlerine sahiptir. Sonuçlar, yüksek kristalin bir grafen sahip olmak için bakır yüzey sıcaklığı ve hidrojen maruziyet süresinin iki önemli kontrol parametresi olduğunu göstermiştir. Üstelik sistemin toplam basıncı kritik olarak bulundu. Yüksek sıcaklıklarda (900 °C ve üzeri) hidrojen varlığı, Cu yüzeyini pürüzsüz hale getirir, kirleticileri ortadan kaldırır ve tane boyutunu büyütür. CVD yontemiyle büyümüş grafen, N2 plazması kullanılarak azot atomları ile katkilanmiştir. Raman spektroskopisi ve mikroskopi, X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) ve ayrıca atomik kuvvet mikroskopisi (AFM) ile elde edilen sonuçlar, atomik konfigürasyonun yanı sıra azot katkılama dağılımının homojenliğini araştırmak için çapraz incelendi. Her üç C-N bağını içeren % 35'den fazla azotun grafen yapısına katkılanmış olduğu kanıtlandı. Daha ileri araştırmalar, piridinik ve pirrolik alanların en uygun konfigürasyonlar olduğunu ve nitrojen atomlarının bu yerleri düşük azot kapsamında işgal etme eğiliminde olduğunu belirtti. Bu numunelerin ısıl işlemi, her hangi bir yapılandırma değişikliğine sebep olmadı. Ancak, üç azot tipinin de mevcut olduğu yüksek azot konsantrasyonuna sahip grafen numunelerinde, hafif sıcaklıklara kadar ısınma, grafitik azotun piridinik ve pirolik azota dönüştürülmesine neden oldu. Isıl işlem sırasında grafenin sp2 petek yapısında hasar görülmedi.
Özet (Çeviri)
Graphene, fundamental building block of carbon based materials, has gained more attention from both scientific and technological communities not only due to its unique properties such as quantum hall effect at room temperature, tunable band gap, high elasticity, and an ambipolar electric field effect but also due to its electrochemical functionalities. Within a plane of graphene, which consists of honeycomb lattice of sp2 hybridized carbon atoms, there are three in plane σ bonds and one π orbital for each of the atoms. This bonding nature difference provide spectacular properties anisotropy for graphene. Starting from the early years of last decade that science community's focus was brought to bear on graphene, various synthesis techniques have been developed. Among those, mechanical exfoliation and epitaxial growth have gained more attention. However, low crystallinity of the former one and lack of scalability of the latter, are the main drawbacks of these methods. Chemical Vapor Deposition (CVD) of various carbon precursors on different substrates opened a new era in reaching to a desired low cost, high quality and large scale graphene. Beside feasibility of pristine graphene to be used in different applications, it is possible to modify its properties with different chemical methods and to introduce new features to it. One of the main strategies in graphene modification is chemical doping. Addition of a foreign element into its bonding network can turn graphene into electrochemically active material. Nitrogen doped graphene is a new type of metal free electro-catalyst which offers great potential in terms of activity, durability and selectivity. Several methods have been proposed to synthesize N doped graphene. These methods, which generally are classified to direct synthesis and post treatment, include different types of nitrogen precursors such as NH3, N2, N2H4, etc. as well as various synthesis techniques like CVD, segregation, plasma treatment, etc. The main features which determine the electrochemical activity of N doped graphene are nitrogen concentration and its configuration in graphene lattice. It is well-known that nitrogen has three possible configuration (pyridinic, pyrrolic and graphitic) in graphene with different electrochemical properties. In this study, multi-layer graphene films in centimeter scale were synthesized by CVD method on multi-crystalline Cu foils. Methane was used as the precursor of carbon. The impacts of different parameters such as total pressure, growth time, growth temperature, methane flow rate and heating rate were investigated in a great detail by the application of Raman spectroscopy. Graphene has some obvious fingerprints in its Raman spectrum that make it possible to determine both the quality of the graphene film (from defect density point of view) and also the number of layers. The results showed that copper substrate temperature and hydrogen exposure time are two important control parameters in order to have a high crystalline graphene. Moreover, the total pressure of the system was found to be critical. The presence of hydrogen at elevated temperatures (900 °C and higher) makes the Cu surface smooth, eliminate the contaminations and enlarge grain size. CVD grown graphene was doped with nitrogen atoms by using N2 plasma. The results obtained from Raman spectroscopy and microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and also atomic force microscopy (AFM) were cross-examined to investigate homogeneity of nitrogen doping distribution as well as its atomic configuration. It was proved that more than 35% nitrogen was doped into the graphene structure including all three types of C-N bonding. Further investigations indicated that pyridinic and pyrrolic sites are the most favorable configurations and nitrogen atoms tend to occupy these sites at low nitrogen coverage. Heat treatment of these samples did not result in a configurational change. However, in N doped graphene samples with high concentration of nitrogen, where all three types of nitrogen were present, heating up to mild temperatures caused graphitic nitrogen to get converted to pyridinic and pyrrolic nitrogen, which are presumably more electrochemically active. The sp2 honeycomb structure of graphene was not damaged during heat treatment.
Benzer Tezler
- Modification of graphene oxide as efficient catalyst support for polymer electrolyte membrane fuel cells
Pem yakıt hücreleri için kullanılan graphen oksit kataliz destek malzemenin modifiye edilmesi
ESAAM JAMİL
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Bilim ve TeknolojiSabancı ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELMİYE ALKAN GÜRSEL
- Graphene based materials obtained from graphite and polyacrylonitrile based carbon fiber for energy storage and conversion systems
Enerji depolama ve dönüşüm sistemleri için grafit ve poliakrilonitril esaslı karbon fiberden grafen tabanlı malzemelerin üretilmesi
MEHMET GİRAY ERSÖZOĞLU
Doktora
İngilizce
2022
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN
- Sodyum iyon pillerde katot olarak kullanılabilecek prusya mavisi analoglarının sentezlenmesi, karbon kompozitlerinin üretilmesi ve performanslarının elektrokimyasal ve In Silico olarak araştırılması
Synthesis of prussian blue analogues, production of carbon composites and electrochemical and In Silico investigation of their performance in sodium ion batteries
BERKAY SUNGUR
- Azot katkılı indirgenmiş grafen oksit/bakır/polidopamin içeren çok bileşenli manyetik nanokompozitlerin sentezi ve fotokatalitik etkinliğinin incelenmesi
Synthesis and investigation of photocatalytic activity of multicomponent magnetic nanocomposites containing nitrogen-doped reduced graphene oxide/copper/polydopamine
ASLIHAN ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURAY YILDIZ
- Heteroatom katkili grafen içeren nanokompozitlerin enerji depolama performanslarının incelenmesi
Investigation of the energy storage performances of heteroatom doped graphene containing nanocomposites
HASAN ALTINIŞIK
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
EnerjiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURAY YILDIZ