Sustainable energy harvesting: Structural analysis approaches in zeolitic imidazolate framework-based triboelectric nanogenerators
Sürdürülebilir enerji hasadı: Zeolitik imidazolat çerçeve tabanlı triboelektrik nanogeneratörlerde yapısal analiz yaklaşımları
- Tez No: 959140
- Danışmanlar: DOÇ. DR. AHMET AYKAÇ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Enerji, Physics and Physics Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Katip Çelebi Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Sürdürülebilir, özerk enerji sistemlerine yönelik artan talep, ortamdan gelen mekanik uyaranları elektriğe dönüştüren teknolojiler üzerine araştırmaları hızlandırmıştır. Bu çalışma, basit mimarisi, düşük maliyeti ve farklı malzemelerle uyumuyla dikkat çeken iki ZIF‑8 ve ZIF‑67 bazlı triboelektrik nanojeneratörü (TENG) incelemektedir. Bir yandan, ZIF‑8 kullanılarak deniz uygulamaları için hibrit modlu bir TENG tasarlanmıştır. Bu cihazda, bakır bant üzerine ince film olarak yatırılan ZIF‑8, polistiren karşı elektrotla birleştirilmiş ve dikey temas‑ayırma ile yatay kayma modlarını bir arada kullanabilen çok eksenli su dalgası hareketini dönüştürme yeteneği kazandırılmıştır. 2 Hz tahrik frekansında cihaz, 195 V'luk en yüksek açık devre voltajı ve 803 mW/m² güç yoğunluğu sergilemiştir. Ayrıca, ZIF-8 tabanlı özgün TENG tasarımımız, literatürde genellikle 600–700 mW/m² arasında rapor edilen MOF destekli cihazları geride bırakarak ≈803 mW/m² tepe güç yoğunluğu elde etmiş ve hem yenilikçi mimarisini hem de mükemmel enerji toplama performansını ortaya koymuştur. Dikey mod, normal baskı sayesinde yüksek anlık voltajlar üretirken; kayma modu, tanjantiyel hareketi kullanarak yük aktarımını ve kümülatif voltajı artırır. Bu sayede, çevresel sensörler, kablosuz iletişim modülleri, durum LED'leri, gerçek zamanlı saatler ve kısa süreli aktüatör patlamaları gibi bir dizi güç uygulamasına olanak tanıyarak, çok eksenli mekanik enerji hasadı ile deniz tabanlı algılama ve iletişim sistemlerinin pratik güç yönetimini kesintisiz bir biçimde bütünleştirir. Paralel olarak, ZIF‑67, biyomekanik enerji hasadı için ayakkabı tabanlarına entegre edilen temas modlu bir TENG'de kullanılmıştır. Bu çalışma, ZIF-67 ince filminin alüminyum substrat üzerine akordeon biçiminde tasarlanarak ayakkabı tabanına entegre edildiği ilk örnek olmasıyla alanda özgün bir yaklaşım sunmaktadır. Alüminyum destekli ZIF‑67 ince filmi, 36 V'a ulaşan tepe voltajı ve yaklaşık 108 mW/m² güç yoğunluğu ile ayakkabı içine gömülü düşük güçlü giyilebilir elektronik cihazları (Bluetooth beacon'lar, ataletsel sensörler veya dokunsal geri bildirim birimleri gibi) harici batarya gerektirmeden besleyebileceğini öngörmektedir. Bu öngörü, ZIF‑67'nin alüminyum elektrotlarla daha yüksek elektron afinitesi ve geliştirilmiş yüzey etkileşimine atfedilmektedir. Ayrıca, ince film kristalliği, yüzey morfolojisi ve nanoskaladaki pürüzlülüğün gözlenen elektriksel çıktıyla ilişkisini ortaya koymak üzere tek kristal X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) gibi ayrıntılı yapısal karakterizasyonlar gerçekleştirilmiştir. Bu deneysel çalışmaların tamamlayıcısı olarak, her iki ZIF çerçevesinin elektronik yapısını ve yüzey yük dağılımını incelemek için Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) hesaplamaları yapılmıştır. DFT sonuçları, ZIF‑8'de belirli kristalografik eksenler boyunca gözenek kanallarının hizalanmasının ve ZIF‑67'de iyi tanımlanmış tane sınırlarının, yerel yüzey potansiyelini önemli ölçüde artırarak polimer‑metal ara yüzeyindeki yük iletimini kolaylaştırdığını ortaya koymuştur. Bakır ve alüminyum yüzeylere spin-kaplama yöntemiyle oluşturduğumuz ZIF-8 filmleri, yaklaşık 0,14°'lik referans değeri yakalayan, 0,12–0,15° FWHM değerlerine sahip (011) refleksiyonlar sergileyip literature göre güçlü bir yoğunluk oranı göstermiştir. Bununla birlikte, ZIF-67 kaplamalarımız, altın substratlar üzerinde bildirilen ~0,16° FWHM değerine benzer ancak biraz daha geniş 0,18–0,22° aralığında pik genişlikleri ve önceki çalışmalarda belirtilen yaklaşık birim değerlerine yakın yönelim oranları sergiledi. Deneysel ve teorik yaklaşımların birleşimi, mikro yapısal parametrelerin triboelektrik performansı belirlemedeki merkezi rolünü doğrulamış ve çeşitli enerji hasadı uygulamalarında ZIF bazlı TENG'lerin akılcı tasarımı ile ölçeklenebilir üretimi için sağlam bir temel oluşturmayı amaçlamıştır.
Özet (Çeviri)
The rising demand for sustainable, autonomous energy systems has accelerated research into technologies that convert ambient mechanical stimuli into electricity. This study examines two ZIF-8 and ZIF-67–based triboelectric nanogenerators, noted for their simple architecture, low cost, and compatibility with diverse materials. A hybrid-mode TENG utilizing ZIF-8 was designed for marine applications, where thin films of ZIF-8 were deposited on copper tape and coupled with a polystyrene counterpart. The device combined vertical contact–separation and lateral sliding modes to harness multidirectional water wave motion. It demonstrated a peak voltage of 195 V open circuit and a power density of 803 mV/m2 under a 2 Hz actuation frequency. Moreover, our original TENG design based on ZIF-8 achieved a peak power density of ≈803 mW/m², surpassing the 600–700 mW/m² range typically reported for MOF-enhanced devices in the literature, underscoring both its novel architecture and excellent energy-harvesting performance. Together, the dual-mode operation ensures that both the vertical and horizontal components of ocean-wave motion are harnessed: the contact mode delivers high instantaneous voltages through normal compression, while the sliding mode capitalizes on tangential motion to increase charge throughput and cumulative voltage. These results offer a range of power applications including environmental sensors, wireless communication modules, status LEDs, real‑time clocks, and intermittent actuator bursts, demonstrating a seamless integration of multi‑axis mechanical energy harvesting with practical power management for marine sensing and communication systems. In parallel, ZIF-67 was employed in a contact-mode TENG embedded into shoe soles for biomechanical energy harvesting. This study presents an original approach as the first example of integrating an accordion-patterned ZIF-67 thin film on an aluminum substrate into a shoe sole. The aluminum-supported ZIF‑67 thin film is projected to power low‑power, shoe‑embedded wearable electronics (e.g., Bluetooth beacons, inertial sensors, or haptic feedback units) without an external battery, delivering a peak voltage of up to 36 V and a power density of approximately 108 mW/m². This performance is attributed to ZIF‑67's higher electron affinity with aluminum electrodes and its enhanced surface interactions. Additionally, detailed structural characterizations including single‐crystal X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and atomic force microscopy (AFM) were carried out to link film crystallinity, surface morphology, and nanoscale roughness with the observed electrical output. Complementing these experiments, Density Functional Theory (DFT) calculations were used to interrogate the electronic structure and surface charge distribution of both ZIF-8 and ZIF-67 frameworks. The Density Functional Theory (DFT) results reveal that alignment of pore channels along specific crystallographic axes in ZIF-8 and the presence of well‐defined grain boundaries in ZIF-67 critically enhance the local surface potential and facilitate charge transfer across the polymer–metal interface. Our spin-coated ZIF-8 films on copper and aluminum exhibited (011) reflections with FWHM values of 0.12–0.15°, closely matching the ~0.14° benchmark reported for ZIF-8 on silicon wafers and displayed a robust and intensity ratio according to literature values. Separately, our ZIF-67 coatings showed peak widths of 0.18–0.22°, which are comparable to but slightly broader than the ~0.16° FWHM documented for spin-coated ZIF-67 on gold substrates, with orientation ratios in line with typical near-unity values reported in prior studies. The combination of experimental and theoretical approaches has verified the central role of microstructural parameters in determining triboelectric performance and aims to establish a solid foundation for the rational design and scalable fabrication of ZIF-based TENGs across diverse energy-harvesting applications.
Benzer Tezler
- Sustainable development strategy in regional planning and a case study on Seyfe region
Başlık çevirisi yok
AYŞE ÖZNUR ÖZER
Yüksek Lisans
İngilizce
1990
Şehircilik ve Bölge PlanlamaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiBölge Planlama Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYDA ERAYDIN
- Convertibility: Theory and evaluation of Turkish Lira convertibility
Başlık çevirisi yok
M.ZAFER BAYSAL
Yüksek Lisans
İngilizce
1990
Ekonomiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesiİşletme Ana Bilim Dalı
DR. GÖKHAN ÇAPOĞLU
- Henry David Thoreau'nun Walden ve Civil Disobedience adlı kitaplarında insan yaşamının anlamı
Başlık çevirisi yok
M.BAŞAK UYSAL
Yüksek Lisans
Türkçe
1991
Amerikan Kültürü ve EdebiyatıAtatürk ÜniversitesiYabancı Diller Eğitimi Ana Bilim Dalı
Y.DOÇ.DR. GENCAY GENÇ
- Kararlılık analizinde kullanılan senkron makina modelleri
Synchronous machine models used in stability analysis
MEHMET S. KÜÇÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
1990
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. M. EMİN TACER
- Physical, social and economic carrying capacity concepts in tourism planning for environmentally sustained development
Başlık çevirisi yok
DİLEK POSTACIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
1991
Şehircilik ve Bölge PlanlamaOrta Doğu Teknik ÜniversitesiDOÇ.DR. AYDA ERAYDIN