Quantum chemical investigation of methanol decomposition on copper embedded boron nitride to be used in a fuel cell
Yakıt hücresinde kullanılmak üzere bakır katkılı bor nitrür üzerinde metanol dekompozisyonunun kuantum kimyasal incelenmesi
- Tez No: 964004
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MURAT OLUŞ ÖZBEK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Kimya, Kimya Mühendisliği, Physics and Physics Engineering, Chemistry, Chemical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gebze Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 143
Özet
Bu çalışma, sürdürülebilir metanol oksidasyon reaksiyonları için platin grubu metal içermeyen katalizörlerin geliştirilmesine katkı sağlamak amacıyla, seçilen yüzeylerin direkt metanol yakıt hücresinde katalitik performansını hesaplamalı yöntemlerle değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Bu çalışmada, CH3OH* → CH3O* → CH2O* → CHO* → CO* mekanizmasını takip eden potansiyel metanol yakıt pili katalizörleri olarak bakır katkılı bor nitrür yüzeyinde metanol ayrışmasının katalitik performansı, periyodik Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (DFT) ve yüzey modelleri kullanılarak hesaplamalı modelleme yoluyla araştırılmıştır. Bakır, metanol endüstrisinde kanıtlanmış katalitik performansı ve geleneksel PGM bazlı yakıt pili katalizörlerine kıyasla maliyet verimliliği nedeniyle aktif bölgeyi oluşturan element olarak seçilmiştir. Bor nitrür, grafene benzerliği, yapısal kararlılığı ve düşük kimyasal aktivitesi nedeniyle 2B destek malzemesi olarak seçilmiştir. Ara reaksiyon adımlarının bağıl enerjileri, tam bir enerji profili oluşturmanın yanı sıra ara adımları ayrı ayrı analiz etmek için hesaplamalar yoluyla elde edilmiştir. Temel (GS) ve geçiş halleri (TS) geometri optimizasyonu (relaxation) ve Climbing Image Nudged Elastic Band (CI-NEB) yöntemleri ile analiz edilmiştir. Sonuçlar Cu(111) ve bakır katkılı grafen yüzeyleri üzerine yapılan önceki teorik çalışmaların sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Deneysel literatürle daha karşılaştırılabilir sonuçlar elde etmek için ham DFT tabanlı bulgulara sıfır nokta enerjisi (ZPE) ve termodinamik düzeltmeler uygulanmıştır. Cu katkılı BN yüzeylerin hem bakırın bor atomu yerine geçtiği Cu/B hem de azot atomu yerine geçtiği Cu/N varyantlarında da metanolün bakıra oksijen tarafından tutunduğu, ayrıca metanolden ayrılan atomik hidrojenlerin hem yüzeyde hem de bakır üzerinde tutunduğu gözlemlenmiştir. Cu/B yüzeyi, reaksiyon esnasında çoğunlukla hem Cu/N yüzeye hem de literatüre kıyasla daha yüksek aktivasyon enerjileri göstermiş, ilk hidrojen ayrılması esnasında 207 kJ/mol ile en yüksek bariyere ulaşmış, dolayısıyla daha yavaş reaksiyon kinetiğine işaret etmiştir. Cu/N yüzeyi ise daha dengeli bir enerji profili sergilemiş, en yüksek aktivasyon bariyeri olan 157 kJ/mol değeri ile bakır katkılı grafen ve de saf (111) bakır yüzeydeki değerler ile kıyaslanabilir sonuçlar vermiştir. Sonuç olarak bu reaksiyon yolu izlendiğinde, Cu/N yüzey üzerinde metanol oksitlenmesinin mümkün olabileceği değerlendirilmiş; ancak bu çalışma kapsamı ve kullanılan ayarlar çerçevesinde Cu/B yüzey zayıf bir katalitik performans sergilemiştir. Sonuçlar göre Cu/N yapı, direkt metanol yakıt hücresinin anot tarafında katalizör olarak kullanımı için uygun bir katalizör olarak bulunmuştur. Alternatif reaksiyon yollarının, farklı hesaplama parametrelerinin veya geçiş hallerinin daha detaylı analizi ile bakır katkılı bor nitrür yüzeyler için daha umut verici sonuçlar elde edilebilir, zira bu yüzeyler yapısal olarak uygun özelliklere sahip olup, katalitik açıdan potansiyel vaat etmektedir.
Özet (Çeviri)
This study was carried out as part of the ongoing search for non-precious metal catalysts for sustainable methanol oxidation reactions, aiming to computationally assess the catalytic performance of selected surfaces for direct methanol fuel cell technologies. In this study, catalytic performance in methanol decomposition on copper-doped boron nitride surface as potential methanol fuel cell catalysts, following CH3OH* → CH3O* → CH2O* → CHO* → CO* mechanism was investigated via computational modeling using periodic Density Functional Theory (DFT) and slab based surface models. Copper was selected as the active site due to its proven catalytic performance in methanol industry and cost efficiency compared to conventional PGM-based fuel cell catalysts. Boron nitride was selected as 2D support material for its resemblance to graphene, offering structural stability and chemical inertness. Relative energies of intermediate reaction steps were estimated to construct a complete energy profile as well as to analyze intermediate steps individually. Ground and transition states were analyzed via geometric relaxation and climbing image nudged elastic band (CI-NEB) methods using Quantum ESPRESSO software. Results were compared to literature on previous theoretical studies on Cu(111) and copper-doped graphene surfaces. Zero-point energy (ZPE) and thermodynamic corrections were included to raw DFT-based findings to obtain results that are more comparable to experimental literature. Both Cu/B and Cu/N variants of Cu-doped BN surfaces, where a copper substituted a boron and a nitrogen atom, respectively, exhibited affinity towards methanol and atomic hydrogen at the copper and the surface. Cu/B and Cu/N surfaces showed relatively low methanol adsorption energies (-54 and -99 kJ/mol), slightly outperforming the Cu(111) reference. Cu/B surface exhibited significantly larger activation barriers for most of the remaining reaction pathway, peaking at 207 kJ/mol, indicating slower reaction kinetics compared to reference studies. Cu/N surface showed a smooth energy profile with highest activation barrier observed at 157 kJ/mol, which makes it comparable to copper-doped graphene and pure copper. As a result, it was concluded that methanol decomposition on Cu-doped BN surfaces following this route may be feasible on Cu/N surface but within the scope and settings of this study, Cu/B surface showed rather poor catalytic performance. Our results showed that Cu/N would be a viable candidate for the use in DMFC as an anode side catalyst. Further studies exploring alternative pathways, computational parameters or in-depth analysis of individual states may yield promising outcomes as Cu-doped BN possesses desirable surface properties and exhibits promising catalytic characteristics.
Benzer Tezler
- Quantum chemical investigation of reactions of atomic carbon with water and methanol
Atomik karbonun su ve metanolle tepkimelerinin kuantum kimyasal yöntemlerle incelenmesi
YAVUZ DEDE
- Bazı azobenzen türevlerinin spektroskopik ve lineer olmayan optik özelliklerinin incelenmesi
The investigation of spectroscopic and nonlinear optical properties of some azobenzene derivatives
MEHMET ÇINAR
Doktora
Türkçe
2012
Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ ÇORUH
- ZnS:Mn+2, CdTe AND CdTe/ZnS:Mn+2 esaslı nanoparçacıkların hazırlanması, optik ve nükleer dedeksiyon sistemlerindeki uygulama potansiyellerinin araştırılması
Preperation of ZnS:Mn+2, CdTe AND CdTe/ZnS:Mn+2 nanoparticles, investigation of their potantials in optical and nuclear detection systems
ONUR KAHVECİ
Doktora
Türkçe
2012
Nükleer MühendislikEge ÜniversitesiNükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MEHMET BAYBURT
- Janus yeşili boyasının elektronik yapısının kuantum kimyasal incelenmesi
Quantum chemical investigation of electronic structure of the janus green dye
DİLARA BERNA YILDIZ
