Geri Dön

Karbon tabanlı iki boyutlu malzemelerin lityum ve lityum-sülfür bataryalarında kullanılabilirliğinin araştırılması

Investigation of carbon-based two-dimensional materials for use in lithium and lithium-sulfur batteries

PDF İndir

  1. Tez No: 934318
  2. Yazar: FUAT BİLİCAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SEVGİ ÖZDEMİR KART, DOÇ. DR. FATİH ERSAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: Pamukkale Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 253

Özet

İki boyutlu malzemeler, üç boyutlu yapılara kıyasla baskın kuantum mekaniksel etkilerin ortaya çıkması nedeniyle farklı ve özgün özellikler sergilemektedir. Bu özellikler, malzemelerin fiziksel ve kimyasal davranışlarında belirgin değişimlere yol açmaktadır. Literatürde düşük boyutlu malzemelerin gaz sensörü, suyun tuzdan arındırılması, hidrojen enerjisinin depolanması ve batarya uygulamaları gibi çeşitli alanlarda kullanımının üç boyutlu durumlarına göre yüzey/hacim oranının artmasından dolayı daha verimli sonuçlar verdiğine dair çalışmaların olması bu tez çalışmasının motivasyonunu oluşturmaktadır. Bu nedenle tez kapsamında, bazı iki boyutlu malzemelerin yabancı atom/molekül katkılama, gerinim uygulama ve tabaka sayısındaki artış gibi dış etkiler altındaki elektronik ve manyetik özelliklerinin değişimleri ve karbon tabanlı iki boyutlu malzemelerin lityum, lityum-sülfür bataryalarında kullanılabilirlikleri yoğunluk fonksiyoneli teorisi (DFT) tabanlı nümerik yöntemler yardımıyla incelendi. Bu tez çalışmasında, Cr2TaC2 ve Cr2TaC2O2 MXene yapılarının % -3 - %9 gerinim altında yapısal kararlılıklarını, elektronik olarak metalik ve manyetik olarak da ferromanyetik karakterini koruduğu teorik olarak ispatlandı. FeN4 ve FeP4 gibi iki boyutlu malzemelerde, gerinim uygulanmasının ve çift katman oluşturulmasının, malzemelerin elektronik ve manyetik özelliklerini önemli ölçüde değiştirdiği gösterildi. Örneğin, tek katmanlı FeN4 yapısı denge durumunda 1,290 eV'luk dolaylı bant aralığına sahip Neel tipi antiferromanyetik yarı iletken iken, % 5 ve %6 çekme gerinimi altında doğrudan bant aralığına sahip ferromanyetik yarıiletken malzemeye dönüşmektedir. FeP4 yapısının ise tek katmanlı durumda ferromanyetik, çift katmanlı durumda ise tabakalar arası antiferromanyetik özellik sergilediği bulundu. Son olarak BeN4 yapısında nokta kusurlarının ve gaz adsorpsiyonunun etkileri detaylı bir şekilde incelendi ve bu yapıların H2 depolama ile gaz algılama gibi uygulamalarda kullanılma potansiyeline sahip olduğu ortaya konuldu. İki boyutta sp ve/veya sp2 hibritleşmelerine sahip karbon yapılarının (Graphyne, Dodecagonal, Haecklites (5-7), GY-5, Kagome Grafen, Porous Grafen, T-Grafen) Li-iyon bataryalarda anot malzemesi olarak kullanılabilirliği araştırıldı. Tek lityum atomunun yapılar üzerindeki tutunma enerjisi hesaplandı ve sonrasında lityum atom sayısı tabakalar üzerinde kademeli olarak artırılarak yapıların maksimum lityum depolama kapasiteleri teorik olarak belirlendi. Buna göre yapıların Li atomu depolama kapasiteleri için Graphyne > T-Grafen > Dodecagonal > Haecklites (5-7) > Kagome Grafen şeklinde büyüklük sıralamasında olduğu ve Grafen'nin hacimli hali olan grafitten (372 mAhg-1) üç ila on dört kat daha fazla depolama kapasitesine sahip oldukları hesaplandı. GY-5 karbon yapısının, tek Li atomu ile güçlü bir şekilde bağlandığı fakat ikinci bir Li atomunun yapıya tutunması sonrasında yapıda oluşan deformasyonla farklı bir kristal olan Ψ-Grafen formuna dönüştüğü belirlendi. Bununla beraber, Li atomunun Porous Grafen yapısına -1,260 eV gibi zayıf tutunma enerjisinden dolayı lityum iyon bataryalarında anot malzemesi olarak kullanılamayacağı ortaya çıkarıldı. Bu tez çalışmasında ayrıca, Grafen, Graphyne ve Graphdiyne tek katmanlarının lityum polisülfürler (LixSy; 1

Özet (Çeviri)

Two-dimensional materials exhibit different and unique properties compared to three-dimensional structures due to the emergence of dominant quantum mechanical effects. These properties lead to significant changes in the physical and chemical behavior of materials. The motivation for this thesis is that there are studies in the literature showing that the use of low-dimensional materials in various fields such as gas sensors, water desalination, hydrogen energy storage and battery applications yields more efficient results due to the increase in surface/volume ratio compared to their three-dimensional state. Therefore, within the scope of this thesis, the changes in the electronic and magnetic properties of some two-dimensional materials under external effects such as foreign atom/molecule doping, strain application and increase in the number of layers and the usability of carbon-based two-dimensional materials in lithium, lithium-sulfur batteries were investigated with the help of density functional theory (DFT) based numerical methods. In this thesis, it is theoretically proved that Cr2TaC2 and Cr2TaC2O2 MXene structures retain their structural stability, electronically metallic and magnetically ferromagnetic character under strain of -3% - 9%. In two-dimensional materials such as FeN4 and FeP4, it has been shown that the application of strain and the formation of double layers can significantly change the electronic and magnetic properties of the materials. For example, the monolayer FeN4 structure is a Neel-type antiferromagnetic semiconductor with an indirect bandgap of 1.290 eV in the equilibrium state, whereas under 5% and 6% tensile strain it transforms into a ferromagnetic semiconductor with a direct bandgap. The FeP4 structure was found to exhibit ferromagnetic properties in the monolayer state and interlayer antiferromagnetic properties in the bilayer state. Finally, the effects of point defects and gas adsorption on the BeN4 structure were investigated in detail, showing that these structures have the potential to be used in applications such as H2 storage and gas sensing. The usability of carbon structures with sp and/or sp2 hybridizations in two dimensions (Graphyne, Dodecagonal, Haecklites (5-7), GY-5, Kagome Graphene, Porous Graphene, T-Graphene) as anode materials in Li-ion batteries was investigated. The trapping energy of a single lithium atom on the structures was calculated and then the maximum lithium storage capacity of the structures was theoretically determined by gradually increasing the number of lithium atoms on the layers. Accordingly, the Li atom storage capacities of the structures were found to be in the order of magnitude of Graphyne > T-Graphene > Dodecagonal > Haecklites (5-7) > Kagome Graphene and were calculated to be three to fourteen times higher than graphite (372 mAhg-1), the bulk form of Graphene. The GY-5 carbon structure was found to be strongly bound by a single Li atom, but after a second Li atom was attached to the structure, the structure deformed into a different crystal, Ψ-Graphene. However, it was revealed that Li atom cannot be used as an anode material in lithium ion batteries due to its weak binding energy of -1.260 eV to Porous Graphene structure. In this thesis, the interaction of Graphene, Graphyne and Graphdiyne monolayers with lithium polysulfides (LixSy; 1< x

Benzer Tezler

  1. Tez No

    752152

    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

    İngilizce

    2022

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ

    PROF. DR. YÜCEL ŞAHİN

  2. Tez No

    939119

    Biyokütleden elde edilmiş karbon tabanlı elektrotların sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of carbon-based electrodes derived from biomass

    SÜMEYYE ÇİÇEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    EnerjiSakarya Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET OĞUZ GÜLER

  3. Tez No

    379572

    Graphene based optoelectronics in the visible spectrum

    Görünür spektrumda grafen tabanlı optoelektronik

    EMRE OZAN POLAT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. COŞKUN KOCABAŞ

  4. Tez No

    467219

    Mechanical behaviour of nanoporous metals reinforced with carbon based nanomaterials

    Karbon tabanlı nanomalzemelerle güçlendirilmiş nano-gözenekli metallerin mekanik davranışı

    DENİZ EZGİ GÜLMEZ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. MESUT KIRCA

  5. Tez No

    935105

    Pniktojen tabanlı biyokompozitlerin biyolojik aktivitelerinin incelenmesi

    Investigation of biological activities of pnictogen-basedbiocomposites

    İLKNUR AKSOY ÇEKCEOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    BiyoteknolojiSelçuk Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İMREN HATAY PATIR

Geri Dön